Tu jesteś: Start / Ocieplanie budynków / Wybrane elementy fizyki budowli
Wybrane elementy fizyki budowli
Rozkład temperatur w narożu na styku dwóch ścian
Projektowanie budynków a obliczenia cieplne.
Budynek mieszkalny jest złożonym układem, w którym projektanci, obliczenia cieplne, traktują dość ogólnie.
Prawo budowlane w formie Ustawy z 1994 roku, w sposób jednoznaczny stanowi, że: "obiekt budowlany należy projektować, budować, użytkować i utrzymywać zgodnie z przepisami, w tym techniczno-budowlanymi, obowiązującymi Polskimi Normami oraz zasadami wiedzy technicznej, w sposób zapewniający spełnienie wymagań podstawowych dotyczących:...
  • bezpieczeństwa konstrukcji,
  • bezpieczeństwa pożarowego,
  • bezpieczeństwa użytkownika,
  • odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska,
  • ochrony przed hałasem i drganiami,
  • oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej przegród."

Ważne jest, aby proces projektowania uwzględniał wszystkie elementy wyżej przedstawione i odbywało się to w sposób kompleksowy, a nie jak dotychczas szeregowy.
W obliczeniach cieplnych stosunkowo największy udział mają straty ciepła przez ściany budynku oraz dach. Transport ciepła poprzez ściany budynku jest złożony i składa się z trzech etapów:
  • przepływ ciepła od powietrza wewnątrz budynku do powierzchni ściany,
  • przepływ ciepła drogą przewodzenia ciepła wewnątrz ściany,
  • przepływ ciepła od powierzchni zewnętrznej ściany do powietrza na zewnątrz budynku. Łączny proces transportu ciepła od płynu do płynu nosi nazwę przenikania ciepła.
Straty ciepła poprzez przegrody zewnętrzne budynku były bardzo długo uznawane za jedyną miarę jakości energetycznej budynku. Stopniowo normy zwiększały wymagania w stosunku do ustrojów budowlanych. I tak kolejno obowiązywały następujące wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych budynków:
-    do 1966 roku    k = (1,16-1,40) W/(m2-K)
-    w latach 1966-1985    k = 1,16 W/(m2-K)
-    w latach 1986-1992    k = 0,75 W/(m2-K)
-    od roku 1993    k = 0,55 W/(m2-K)
-    od roku 1998    k = 0,30 W/(m2-K).
Ostatnia wartość graniczna podana powyżej nie występuje już samodzielnie - obok granicznej wartości współczynnika przenikania ciepła wprowadza się po raz pierwszy w normie polskiej wartość graniczną sezonowego zapotrzebowania ciepła do ogrzewania budynku.
W tym zakresie sytuacja dojrzewała już od pewnego czasu. I tak w rozporządzeniu ministra gospodarki przestrzennej i budownictwa w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie wymaga się:
"budynek i jego instalacja grzewcza, wentylacyjna i klimatyzacyjna powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość energii potrzebnej do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie."

Aktualizacja tego przepisu z roku 1997 mówi następująco o zużyciu ciepła:
  • dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych i zamieszkania zbiorowego wartość wskaźnika Eo określającego obliczeniowe zapotrzebowanie na energię końcową (ciepło) do ogrzania budynku w sezonie grzewczym, wyrażona w ilości energii przypadającej w ciągu roku na 1 m3 kubatury ogrzewanej części budynku powinna być mniejsza od wartości granicznej Eo,
  • dla budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej ocena racjonalności rozwiązania pod względem cieplnym może być dokonana podobnie jak w budynkach wielorodzinnych przez ocenę wartości wskaźnika  Eo bądź poprzez obliczeniowe sprawdzenie czy przegrody zewnętrzne odpowiadają wymaganiom izolacyjności cieplnej oraz innym wymaganiom związanym z oszczędnością energii.
Wartość graniczna wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku jest obliczana w zależności od współczynnika kształtu A/V przy czym:
  • A jest sumą pól powierzchni wszystkich ścian zewnętrznych (wraz z oknami i drzwiami balkonowymi) dachów, stropodachów, podłóg na gruncie stropów nad piwnicą nie ogrzewaną, stropów nad przejazdami oddzielającymi część ogrzewaną budynku od powietrza zewnętrznego, liczonych po obrysie zewnętrznym,
  • V jest kubaturą ogrzewanej części budynku, powiększoną o kubaturę ogrzewanych pomieszczeń na poddaszu użytkowym lub w piwnicy i pomniejszoną o kubaturę wydzielonych klatek schodowych, szybów wind, otwartych wnęk, lodżii, galerii.
Dość interesujący jest przypadek, gdy jako izolacja cieplna stosowana jest warstwa powietrza pomiędzy elementami ścian. Z punktu widzenia transportu ciepła ważne jest, aby wraz ze wzrostem grubości warstwy powietrza uwzględnić możliwość występowania ruchu powietrza, a więc obok przekazywania ciepła drogą przewodzenia, uwzględnić także konwekcję naturalną.
Zatem grubość warstwy nie jest jedynym parametrem mającym wpływ na opór przenikania ciepła przez warstwę powietrza. Także sposób wentylowania tych warstw ma ogromny wpływ na opór przenikania ciepła - z tego punktu widzenia warstwy dzieli się na: nie wentylowane, słabo wentylowane i dobrze wentylowane. W tym ostatnim przypadku opór warstwy powietrza jest pomijany.

W przypadku występowania większych przestrzeni powietrznych takich jak przestrzenie ponad stropem i poniżej dachu, korzysta się z gotowych tabel.

Niezwykle ważnym w obliczaniu strat ciepła jest uwzględnienie faktu, że ściany nie są jednorodne. Występowanie elementów konstrukcyjnych takich jak nadproża, wystające płyty balkonowe, pojawianie się naroży na styku dwóch lub trzech ścian sprawia, że przepływ ciepła nie daje się już opisać jako przypadek jednowymiarowego przewodzenia ciepła.
Na rys. 5.1 przedstawiono izotermy na styku dwu prostopadłych jednorodnych ścian -w narożu wewnętrznym następuje dość wyraźne obniżenie temperatury z 14 do 8,5°C. Analizowany przypadek dotyczy ściany o współczynniku przenikania ciepła na poziomie 1,4 W/(m2-K) przy temperaturze na zewnątrz -15°C. Docieplenie ścian dość zdecydowanie podnosi temperaturę w narożu ścian.

Z punktu widzenia geometrii, mostki termiczne dzieli się na:
  • punktowe,
  • liniowe.
Niejednorodne struktury przegród powodują zawsze wzrost strat ciepła w budynku i stąd noszą nazwę mostków termicznych.
Istnieje wiele procedur obliczania oporu cielnego z uwzględnieniem niejednorodności struktury:
  • rozbicie powierzchni na elementy jednorodne i obliczenie transportu ciepła dla przypadków skrajnych, a mianowicie:
    • najwyższą wartość uzyskuje się, gdy założy się jednowymiarowy przepływ prostopadle do powierzchni przegrody (opór wypadkowy oblicza się jako średnią harmoniczną z oporów z uwzględnieniem udziału powierzchni),
    • najniższą wartość uzyskuje się zakładając, że wszystkie powierzchnie równolegle do powierzchni przegrody są izo-termiczne,
  • wykonanie obliczeń numerycznych dla złożonych przypadków jak np. osadzenia ramy okien.
Problem mostków termicznych to problem związany ze sztuką budowlaną - istnieje wiele sposób unikania występowania mostków termicznych, ze wskazaniem sposobu uwzględnienia ich wpływu na wzrost strat ciepła.
Jednak konsekwencja występowania mostków termicznych jest znacznie poważniejsza - w miejscach mostków termicznych następuje obniżenie temperatury powierzchni i z punktu widzenia fizyki budowli powstawanie miejsc możliwej kondensacji pary wodnej.
Jest to niebezpieczne dla konstrukcji budowlanych.

Wpływ umieszczenia izolacji na zmianę rozkładu temperatury w narożniku ścian
Struktury porowate, z których na ogół wykonuje się materiały izolacyjne są bardzo wrażliwe na wilgoć. Wraz ze wzrostem wilgoci bardzo znacznie wzrasta współczynnik przewodzenia ciepła materiału, co powoduje wzrost strat ciepła i obniżenie temperatury ściany wewnątrz budynku. Często następuje przemarzanie ścian, a przy dużej zawartości wilgoci ich uszkodzenie. Stąd niezwykle ważny problem wentylacji pomieszczeń i kontrolowania poziomu wilgoci w pomieszczeniach.



Typowe mostki cieplne występujące w konstrukcjach budowlanych oraz sposoby przeciwdziałania nadmiernym stratom ciepła
W omawianym już na rys. 5.1 rozkładzie temperatury, dla kondensacji pary w narożu ścian panują zupełnie inne warunki niż dla powierzchni ściany płaskiej.
Ważną funkcją ocieplania ścian jest, obok zmniejszenia strat ciepła, także podwyższenie temperatury ściany. Dla identycznych warunków pogodowych, wprowadzenie dobrego ocieplenia ściany (rys. 5.2) powoduje wzrost temperatury powierzchni ściany z 14 do 18°C, ale równocześnie wzrost temperatury w narożu z 8,5 do 14°C. W narożniku panują warunki jak na powierzchni ściany przed ociepleniem.



Sposoby unikania mostków cieplnych w przypadku izolowania ścian grubą warstwą izolacji
Bardzo często, jako poważne problemy, podawane są sposoby przeciwdziałania stratom ciepła podczas ocieplania budynku w miejscu osadzenia ściany stropowej (rys. 5.4), konstrukcja ramy okiennej i sposób jej osadzenia (rys. 5.5).





Rozkład temperatur w oknie o skomplikowanej konstrukcji
W tym ostatnim przypadku tylko zaawansowane metody numeryczne umożliwiają wyznaczenie pola temperatury w tak złożonych geometrycznie układach.
Reasumując budynek mieszkalny jest obiektem złożonym, stwarzającym duże i różnorodne wymagania - najważniejsze jednak, że ranga problemu oszczędzania energii znajduje już właściwe miejsce.

Także rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z 1994 roku formułuje wymagania co do instalacji grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, a mianowicie narzuca ona, że powinny one być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość ciepła, potrzebnego do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie.


Opracowano na podstawie materiałów prof. Romana Ulbricha
< Poprzednia   Następna >
 
statystyka