Fizyka budowli: bud. ogólne, mat. budowlane, ochrona cieplna budynków, bud. cieplne, bud. ekologiczne,

Zakres fizyki budowli:

• ruch ciepła i masy (ruch pary wodnej, infiltracja (wymiana) powietrza. Ruch ciepła i masy następuje na skutek różnic temperatury wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia tzw. ucieczka ciepła. Diagnostyka istniejących obiektów, projektowanie nowych budynków i przegród budowlanych.

• zabezpieczenia przeciwpożarowe

• akustyka (budowlana, urbanistyczna) Ekrany akustyczne

• promieniowanie (jonizujące)

• oświetlenia (naturalne, sztuczne)

Klimat i mikroklimat:

Klimatem nazywa się cech charakterystyczne układu i zmienność zjawisk atmosferycznych. Uwarunkowany jest położeniem geograficznym.

Elementy klimatu:

• promieniowanie słoneczne

• temp. powietrza

• wilgotność powietrza

• opady atmosferyczne

• ciśnienie atmosfer.

• wiatry

Klimat miejscowy wyznaczany jest przez elementy:

• rzeźba terenu

• przestrzenny układ zabudowy

• szata roślinna

• zanieczyszczenie powietrza

• układ wodny

Mikroklimat zmienność układów klimatycznych w niewielkiej przestrzeni

Amplituda temperatur latem

Upał

Ciepły

Letni

Chłodny

Zimny

Wilgotność

Wilgoć rozproszenie fazy ciekłej w fazie stałej

Para wodna gaz

Wilgotność względna φ

Jest to stosunek prędności p do prędności max.

Mikroklimat wewnętrzny zależy od :

• rodzaju przegród

• ilości okien

• źródła ciepła

• szczelności okien i drzwi

• wentylacji

Parametr mikroklimatu jest parametrem subiektywnym.

Wymiana ciepła:

• na drodze promieniowania 45%

• na drodze przewodzenia 33%

• odparowanie 19%

• oddychanie 2%

Temperatura przegród budowlanych wpływa na bilans: człowiek-środowiska.

Ruch powietrza wpływa na odczucie temperatury, czym wyższa temperatura tym słabiej odczuwamy ruch powietrza.

Kryteria mikroklimatu wewnętrznego:

• komfort cieplny jest odczuciem subiektywnym, na komfort cieplny zasadniczo wpływają:

• temperatura

• wilgotność

• ruch powietrza

W Polsce komfort cieplny określa się dla sezonu grzewczego(w lecie nie określa się)

I Temperatura

ti przegroda

vi

Rλ ve te

Odczucie człowieka jest wypadkową dwóch czynników:

• konwekcyjny ruch ciepła

• promieniowanie ciepła z przegrody
  

ti+vi<33ºC zbyt chłodno

ti+vi=36ºC normalnie

ti+vi>40ºC zbyt gorąco

to(t_ek) temperatura którą odczuwamy, tem.ekwiwalentna

R_λ→

R_λ→0

II Prędkość powietrza jest odczuwalna przez człowieka w zależności od temperatury w pomieszczeniu

ti=18ºC V=9cm\s

ti=20ºC V=16cm\s

ti=22ºC V=22cm\s

ti=24ºC V=35cm\s

III Wilgotność względna φ_w

φ_w=35(42)-60% nieodczuwalna

φ_w=<40%powietrze suche

φ_w=<60%powietrze normalne

φ_w>=70%ppowietrze wilgotne

Oszczędność energii

By podnieść temp. o 1ºC trzeba 6% więcej energii

Komfort cieplny równowagii ustala się wtedy, kiedy wnętrze przestaje być ogrzewane przez dodatkowe źródło ciepła(piec)następuje wtedy mikroklimat równowagi. Sprawdza się dla konstrukcji o dużej masie. Wlekkich budowlach powinna być klimatyzacja. Na mikroklimat równowagi ma wpływ masa budynku. Im więcej energii potrzebujemy na ogrzanie o 1ºC tym lepszy jest mikroklimat równowagi.

Kształtowanie innych czynników mikrośrodowiska mieszkalnego wchodzą w skład bioklimatu.

• Grupa czynników fizycznych

• temp. powietrz i powierzchni ogrzewających pomieszczenie

• wilgotność względna powietrza i przegród budowlanych

• ruch powietrza w pomieszczeniu

• zapylenie powietrza, zawartość aerozoli

• jonizacja powietrza tzw. elektroklimat

• oświetlenie pomieszczenia: naturalne, sztuczne (barwa)

• natężenie promieniowania radioaktywnego powietrza i przegród

• natężenie pól elektromagnetycznych naturalna i sztuczna

• natężenie hałasu i wibracji

• Grupa czynników chemicznych:

• skład chemiczny gazowych składników powietrza(substancje toksyczne w powietrzu)

• skład chemiczny aerozoli

• skład chemiczny przegród i powierzchni

• Grupa czynników biologicznych:

• bakterie

• wirusy

• grzyby

• roztocza

• pleśnie

• gryzonie

• Czynniki kulturowe:

• estetyka wnętrz

• sposób wykonania wnętrz

Ruch ciepła:

W cieczach(płynach) i gazach przewodzenie ciepła w czystej postaci występuj rzadziej, następuje przez swobodne elektrony i tutaj spotykamy się z konwekcją

• Konwekcja - cząstki

ciała, w których przenosi się ciepło zmieniają swoje położenie.

Konwekcja w sposób naturalny lub wymuszony.

Przenoszenie energii odbywa się wskutek mieszania płynów, w niewielkim stopniu przez przewodzenie.

• Promieniowanie ciepła

polega na przenoszeniu energii poprzez promieniowanie elektromagnetyczne o pewnym zakresie długości fal. Promieniowanie nie wymaga ośrodka materialnego. Ilość wypromieniowanej energii zależy od rodzaju powierzchni ciała i jego temperatury

Q - ilość ciepła

q - natężenie strumienia cieplnego

- jednostka określona do jednostki czasu

strum-ień cieplny

Ciało doskonale czarne - ciało które pochłania całą energię, która na nie pada.

Prawo Stefana-Boltzmana

q = c ( v / 100)⁴

c- stała promieniowania ciała doskonale czrnego

v - temp. bezwzględna materiału

Wzór Pecket`a

q = k (t₁ - t₂)

k - współczynnik Packet`a

• Przewodzenie ciepła

λ - współczynnik przewodności cieplnej

Q_h= - λF(T₁-T₂)

T₁-T₂ - różnica temp. na pow. przegrody

q= λ/d (T_w1-T_w2)

Przejmowanie ciepła:

Wymiana ciepła odbywa się na zasadzie konwekcji

Wzór Newtona

q= λ (t_i - v_i)

q= λ/d( v_i-v_e)

q_i= ά_i (t_i - v_i )

q_e= ά_e (v_e- t_e )

Współczynnik przewodności cieplnej λ oznacza ilość ciepła (energii)przechodzącego przez powierzchnię jednostkową (1m²) próbki lub przegrody, grubości 1m w ciągu jednostki czasu (1h)przy różnicy temperatur 1ºC

λ

Współczynnik przejmowania ciepła ά_i

ά_i [W/m²K]

R_i=1/ά_i

ά_i=ά_ik+ά_iprz

ά_ik - ά konwekcyjne

ά_iprz - ά przewodzenia

Ustalony i nieustalony przepływ ciepła:

Ustalony przepływ ciepła jest przybliżeniem (t_i - t_e=constans,

stacjonarny przepływ ciepła, stały w czasie.)

Nieustalony przepływ ciepła

rzeczywistość

Modelowanie zjawiska ruchu ciepła, modelowanie zjawiska fizycznego jako zagadnienia odwrotnego związanego z określeniem termoizolacyjności przegrody jest odwzorowaniem wyidealizowanego wzorca przenikania ciepła przez przegrodę w układzie zależności matematycznych

I strefa małych zmian

R_c=R_i+R_λ+R_e

t_i- v_i = q_i/ά_i = q_iR_i

II strefa średnich zmian

v_i -v_e =q_iλ d/ά =q_iR_i

III strefa dużych zmian

(strefa zaburzeń)

v_e-t_e=q_e/ά_e=q_eR_e

R_c- opór całkowity

R_c=R₁₂+R₂₃+R₃₄+R₄₅

Q=Q₁₂+Q₂₃+Q₃₄+Q₄₅

Konduktancja przegrody(przewodność)

Λ=1/R_λ

Opory cieplne są proporcjonalne do różnic temperatur

t_i- t_e= (t_i - v_i)+(v_i - v_e)+(v_e - t_e)

v_{i ,} v_e - odpowiedź termiczna przegrody

Współczynnik przenikania ciepła k- dla ustalonego przepływu ciepła jest wielkością obliczeniową, w której współczynniki przejmowania ciepła nie odgrywają istotnej roli.

Przy nieustalonym przepływie ciepła współczynnik k jest wielkością zmienną w czasie, i istotny wpływ mają współczynniki przejmowania ciepła.

[W/m²K]

• Stały(ustalony)przepływ ciepła.

q_i=q_ά=q_e=q

t_i-t_e=q(R_i+R_λ+R_e)

1/R_c=k(u)

t_i-t_e=R_cq

wzór na k dla ustalonego przepływu ciepła

k(u)=1/(R_i+R_λ+R_e)

wzór stosowany przy projektowaniu

k=1/ (1/ά_i +1/ά +1/ά_e)

• Nieustalony przepływ ciepła

q_λ= (q_in+q_em)/(n+m)

n, m- wielkości zmienne w czasie

Teoretyczny zapis współczynnika k przenikania ciepła

Chwilowe przenikanie ciepła

k_i= q_ij / (t_ij-te_j)

Zagadnienia związane z metrologią.

Metrologia- nauka o badaniu,

mierzeniu.

Ogólna klasyfikacja procedur pomiarowych:

Istnieje szereg procedur postępowania przy pomiarowym określeniu wsp. przenikania ciepła k lub też dokładniej oporu cieplnego R_λ

w warunkach nieustalonego przepływu ciepła w obiekcie budowlanym. Metody badań są nie tylko zróżnicowane ze względu na urządzenia pomiarowe, ale również ze względu na przyjmowane metrologie, wiąże ona się z przyjętym mechanizmem przepływu ciepła. Procedury te można podzielić na trzy grupy:

• pomiar przy zmiennej gęstość strumienia cieplnego, wielkość strumienia cieplnego i różnica temperatur jest określona w funkcji czasu pomiaru

• pomiar przy wymuszonym ustalonym przepływie ciepła, w pomiarach tych przyjmuje się gęstość strumienia cieplnego oraz różnicę temp. jako wartości stałe w czasie

• wynikająca z analizy bilansu cieplnego ustalonego przepływu ciepła w badanym obiekcie, w badaniach tych uwzględnia się obok strat ciepła przez przegrody inne straty funkcji czasu.

Badania eksperymentalne w zakresie przejmowania ciepła.

Przebieg procesów wymiany ciepła z ogrzewanego pomieszczenia na zewnętrzną powierzchnię jest zróżnicowany i zależy od:

• rodzaju zamkniętej przestrzeni środowiskowej (wentylowanej, niewentylowanej)

• kubatury

• ilości, wielkości przegród zewnętrznych

Proces przejmowania ciepła jest niejednorodny. Przy wyznaczaniu obliczeniowej wartości przenikania ciepła k obliczonej zgodnie z normą, wpływ współczynników przejmowania ciepła jest niewielki. Przyjmuje się, że współczynnik ά jest wystarczająco dokładny.

k=1/ (1/ά_i+1/ά+1/ά_e)

R_i=1/ά_i

R_e=1/ά_e

R=1/ά

Współczynnik k jest wielkością zmienną w czasie.

Na rzeczywistą wielkość współczynnika k ,ά_i i ά_e ma istotny wpływ. Wpływ zakłóceń konwekcyjnych powoduje zmianę ά_i i ά_e 2-3 razy.

ά _ik / ά _iprz =4/6

ά_e jest znacznie trudniej wyznaczyć niż ά_i .Zagadnienie to jest bardzo ważne przy analizie termograficznej. Można przyjąć, że ά_e zależy od (v_e-t_e), prędkości wiatru i jego parcia i waha się

od 0 do 50. Nie ma możliwości dokładnego wyznaczenia ά_e i ά_i .

Charakterystyka termoizolacyjna przegrody ( CTP )

CTP wyrażona jest przez współczynnik k lub R. Wielkości te można obliczyć znając budowę przegrody. Wielkości pomiarowe, które wyznaczamy przy wyznaczaniu pomiarowych wielkości k lub R są to wielkości chwilowe. Współczynnik k jest wielkością pośrednią, gdyż określa się go wykorzystując do tego wielkości podstawowe

Rodzaje charakterystyk

( CTP ):

• w zależności od sposobu wyznaczania:

• charakterystyki obliczeniowe

• charakterystyki pomiarowe (metrologiczne)

• charakterystyki pomiarowo-obliczeniowe

• ze względu na warunki przepływu ciepła:

• charakterystyki ustalonego przepływu ciepła

• charakterystyki nieustalonego przepływu ciepła (rzeczywistość)

Rodzaje badań

Zgodnie z zasadami metrologii obiektem pomiaru jest wybrana cecha przedmiotu stanowiąca fragment istniejącej w rzeczywistości.

Cechą przedmiotu (izolacyjność termiczna)odwzorowują stany.

- zmienność temperatury

- zmienność strumienia cieplnego

Pomiarowe wyznaczanie izolacyjności termicznej przegrody sprowadza się do wyróżnienia określonych stanów poszukiwanej cechy. Liczba (rodzaj) stanów wynika ze specyfikacji danej cechy

Badania w zakresie wyznaczania stanu izolacyjności termicznej przegrody mogą być wykonywane jako:

• badania poznawcze

• badania kontrolne (polegają na sprawdzeniu jakości wykonania)

• badania diagnostyczne tzw. badania nieniszczące

Przegląd metod pomiarowych

• wyznaczenie termoizolacyjności przegrody w rzeczywistości (budynek już istniejący)

• wyznaczanie rzeczywistej wartości k dla budownictwa niskoenergetycznego

Charakterystyka termiczna przegrody jest funkcją (pochodną) współczynnika λ,grubości poszczególnych przegród d , temperatur ti i te ,prędkości przepływu powietrza v ,czasu

CTP=f(λ,d,ti,te,v,
) zapis matematyczny

zamieniając: ti na
i

te na
wówczas otrzymujemy wzór na konduktancję
(odwrotność oporu)

Metody pomiaru gęstości strumienia cieplnego (q)

Q-ilość ciepła, F-powierzchnia

Gęstość strumienia cieplnego to strumień q podzielony przez czas

q=Q/(F
)

Metoda skrzynki grzejnej (metoda teoretyczna)

Pomiar strumienia cieplnego za pomocą ciepłomierza.

Badanie gęstości strumienia cieplnego (aktualnie )prowadzi się z reguły przy pomocy ścianki pomocniczej (ciepłomierza). Metoda polega na umieszczeniu pow. badanej

przegrody przegrody pomocniczej (ma ona znany opór cieplny R_pr). Gęstość strumienia cieplnego wyrażona jest jako funkcja różnicy temperatury określona siłą elektromotoryczną E. Uwzględniając stałą miernika c będącego funkcją oporu cieplnego wyznacza się gęstość strumienia cieplnego.

Metoda pomiaru strumienia cieplnego za pomocą ciepłomierza jest bardzo niedokładna.

Stosowane w praktyce procedury pomiarowe.

Przy wyznaczaniu pomiarowych wielkości współczynnika k lub oporu cieplnego Rλ stosowane są zróżnicowane formuły zapisów fizycznych mających wpływ na metrologię badań

• zapis standardowy

k=q/(ti-te)

• zapis eksperta

k=άi (ti-vi)/(ti-te)

• ?

Rλ=Ri(vi-ve)/(ti-vi)

άi=qi/(ti-vi)

Zapis normowy pomiarów

k=1/(Ri+Rλ+Re)

k=[((vi-ve)/q)+Ri+Re]^-1

Realistyczny sposób wyznaczania współczynnika k

Stateczność cieplna przegrody-przegroda kumuluje pewną ilość ciepła. Przy wyznaczaniu współczynnika k należy uwzględnić straty ciepła przegrody zależne od masy przegrody.

• współczynnik k z uwzględnieniem stateczności cieplnej

k=k_w=Q /(ti-te)

---