Bilans cieplny w budynku. Jak zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło?

Zagadnienia cieplne w budynku

Dobrze zaprojektowane ogrzewanie budynku zależy od prawidłowego policzenia jego zapotrzebowania na ciepło. Dla zapewnienia warunków mieszkalnych bez względu na porę roku temperatura wewnątrz budynku powinna się utrzymywać w pewnym subiektywnym, dostosowanym do wymagań osób w nim mieszkających, przedziale, średnio ok. 15–25°C. W okresie nieobecności mieszkańców w budynku dolna granica temperatury powinna być utrzymana na poziomie ok. 5°C.

Na rys. 1 pokazano strumienie energii wytworzonej (kolor czerwony), doprowadzonej (kolor żółty) i odprowadzonej w postaci strat (niebieski) w typowym budynku mieszkalnym. W zależności od technologii wykonania, użytych materiałów budowlanych i typu budownictwa (typowe, energooszczędne, pasywne, energetycznie samowystarczalne) procentowe udziały poszczególnych strumieni będą inne od przedstawionych.

Strumienie ciepła wytwarzane w budynku

Istnieją trzy podstawowe źródła strumieni wytwarzanych w typowym budynku: pochodzące od urządzeń grzejnych, z urządzeń AGD (pralki, odkurzacze, żelazka, suszarki, wentylatory itd.) i sprzętu RTV (telewizory, radia, magnetowidy, wzmacniacze i głośniki) oraz ciepło wytwarzane przez mieszkańców

Strumień urządzeń grzejnych Q_g

Typowe urządzenia grzejne to kotły (elektryczne, gazowe, olejowe, węglowe i na biomasę), ale również coraz częściej stosowane pompy ciepła czy kolektory słoneczne z grzaniem podłogowym. Moc tych urządzeń jest projektowana tak, by wystarczyła na pokrycie strumieni strat ciepła do otoczenia i gruntu. Moc Qg zależy więc od normatywnej różnicy temperatur pomiędzy temperaturą wnętrza budynku i średnioroczną temperaturą na zewnątrz Δt oraz od powierzchni ścian, stropów, okien, drzwi itd. Ai, a także od wartości ich współczynników przenikania ciepła k_i:

Strumienie ciepła generowane przez mieszkańców Q_m

Przyjmuje się, że średnia moc ciepła emitowanego przez zdrowego (t = 36°C) człowieka wynosi 100 W. Znając liczbę mieszkańców i średni czas ich przebywania w domu, można bez problemu oszacować ilość energii przekazanej przez nich do budynku.

Strumień urządzeń domowych Q_u

Wielkość strumieni ciepła wytworzonych w urządzeniach AGD i RTV zależy od klasy energochłonności sprzętu, czasu i częstotliwości korzystania z nich. Lodówka, mimo że jest cały czas włączona, pracuje okresowo. Łatwiej określić czas pracy pralki, odkurzacza, żelazka czy piekarnika. Stąd dokładne oszacowanie wartości tych strumieni jest trudne i czasochłonne i nie było jak dotychczas konieczne.

Strumienie Q_m i Q_u nie są uwzględniane w obliczeniach

systemu grzejnego budynku. Zwyczajowo przyjmuje się, że wartości tych strumieni są wystarczające do utrzymania temperatury mieszkalnej w granicach ok. 15–25°C. Ewentualne odstępstwa od tego zakresu koryguje się systemem regulacji na grzejnikach lub urządzeniu grzejnym.

Strumienie strat ciepła z budynku

O mocy systemów grzejnych w budynku decyduje opór cieplny R przegród budowlanych, przez które ciepło opuszcza budynek. Im opór ten jest większy, tym mniejsze są straty ciepła i mniejsze koszty ogrzewania budynku. Przegroda budowlana jest płaską pionową ścianą, przez którą w trzech etapach przenika ciepło, zimą z pomieszczenia na zewnątrz budynku, a latem z zewnątrz do budynku (rys. 2).

I etap to konwekcyjna wymiana ciepła z pomieszczenia budynku o temperaturze t_pom do ściany o temperaturze t ścian. Wartość tego konwekcyjnego strumienia ciepła Q_pom opisuje zależność:

gdzie:

A_scian– jest powierzchnia ściany,

α_pom. – współczynnik wnikania ciepła do ściany w pomieszczeniu.

II etap to przewodzenie ciepła Q_przegr. przez przegrodę budowlaną (ścianę) o grubości δ i współczynniku przewodzenia ciepła materiału budowlanego λ. Wartość tego strumienia wynosi:

III etap transportu ciepła przez przegrodę budowlaną to ponownie konwekcyjna wymiana ciepła, tym razem od ścianki elewacji do otoczenia:

Dla ścian płaskich, przy założeniu jednokierunkowego przepływu ciepła, stanu ustalonego i słuszności zasady zachowania energii, jest oczywiste, że:

Przyrównanie tych trzech strumieni prowadzi do wyeliminowania trudnych do zmierzenia tscian i telew. i otrzymania zależności Pecleta, przy pomocy której można obliczyć strumienie cieplne przenikające przez przegrody:

gdzie:

jest współczynnikiem przenikania ciepła, wyrażonym w W/(m²×K), którego odwrotnością jest współczynnik oporu przenikania ciepła przez przegrodę R_przegr..

Z otrzymanego w ten sposób równania Pecleta można wyznaczyć strumień strat ciepła przez dowolną przegrodę budowlaną (okna, ściany, dach itd.) o znanej powierzchni A_przegr. i współczynniku k_przegr. oraz zmniejszenie tych strat przez dodanie izolacji o znanej grubości δ_izol., współczynniku przewodzenia ciepła λ_izol.Przewagą wzoru (6) nad równaniami (2–4), z których też można wyznaczyć strumienie ciepła, jest wyeliminowanie z tych ostatnich trudnych do zmierzenia temperatur powierzchni ściany t_scian i elewacji t_elew. i zastąpienie ich bardziej jednoznacznymi i łatwiejszymi do zmierzenia temperaturami otoczenia: na zewnątrz t_otocz. i w pomieszczeniach wewnątrz budynku t_otocz.

Strumienie doprowadzające ciepło do budynku z zewnątrz

Są dwa potencjalne zewnętrzne strumienie ciepła, które w pewnych warunkach mogą dogrzewać budynek z zewnątrz. Jeden może pochodzić z ziemi (gruntu), a drugi od słońca.

Strumień ciepła z gruntu docierający z zewnątrz do domu Q_z,g

Średnia temperatura gruntu na głębokości H > 2 m jest średnioroczną temperaturą w danym regionie, przykładowo w Gdańsku t_grunt. = 13,5°C. Wykorzystanie energii zgromadzonej w gruncie Q_z,g jest możliwe tylko wtedy, gdy t_pom. < t_grunt.. Ten warunek jest spełniony tylko zimą dla pomieszczeń piwnicznych lub garażowych, gdyż wszystkie inne pomieszczenia mają wyższą temperaturę tpom. > tgrunt., z wyjątkiem strychu, ale ten nie ma kontaktu z gruntem.Strumień ciepła z gruntu, podobnie jak i strumień strat ciepła do gruntu, jest przekazywany poprzez przewodzenie przez fundamenty i wylewkę podłogową o powierzchni A_podl., grubości δ i współczynniku przewodzenia ciepła λ. Ponieważ korzyść z ewentualnego dogrzania domu tym strumieniem jest wątpliwa i niepewna, w przeciwieństwie do pewnych strat spowodowanych stratami energii przez oddawanie jej do gruntu, dlatego korzystniej jest wyeliminować ten strumień Q_z,g › 0. W tym celu należy dobrze zaizolować podłoże, tak aby wymiana ciepła z gruntem była jak najmniejsza. Równanie (6) dla tego przypadku ma postać:

z której wynika, że aby k_podl. miało minimalną wartość, wylewka podłogowa powinna mieć możliwie dużą grubość δ i jak najmniejszą wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ (powinna być izolacją lub zawierać warstwę izolacji termicznej): gdy:

to dla:

Z równań (8) i (9) wynika, że dla k_podl. › min. strumień ciepła Q_z,g jest też mały i można go, przy dobrym zaizolowaniu fundamentów i piwnic, pominąć.Niskotemperaturowe ciepło zgromadzone w gruncie Q_g jest natomiast wykorzystywane po przetworzeniu w pompie ciepła w ciepło wysokotemperaturowe, do ogrzewania domów i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Strumień energii słonecznej

Energia słoneczna przekazywana na Ziemię w postaci promieniowania może być wykorzystana bezpośrednio do ogrzewania, zmagazynowana w formie ciepła lub ulegać konwersji w inne formy energii (wiatr, parowanie, prąd z ogniw fotowoltaicznych, biomasa z procesów fotosyntezy itd.).Strumień energii promieniowania słonecznego E, padając na przegrodę budowlaną, może (rys. 3):

• przeniknąć (T) przez nią, co zachodzi, gdy przegroda jest przezroczysta (okno, drzwi, izolacja transparentna),
• odbić się (R) od niej, gdy jest ona jasna, gładka lub błyszcząca (ściana, elewacja, lustra, szyby),
• zaabsorbować się (A) w przegrodzie. Ma to miejsce wtedy, gdy przegroda budowlana jest nieprzezroczysta, o barwie czarnej lub ciemnej i fakturze matowej.

W przypadku rzeczywistych przegród budowlanych, które nie są ani idealnie błyszczące lub przezroczyste, ani doskonale czarne, promieniowanie zachowuje się zgodnie z zasadą zachowania energii i opisuje je poniższe równanie (10), co zostało pokazane na rys. 4 :

Natomiast gdy podzielimy równanie (10) przez E, to otrzymamy współczynniki właściwe: transmisyjności t = T/E, refleksyjności r = R/E i absorpcyjności a = A/E, które spełniają poniższy warunek:

Na rys. 4 kolorem żółtym zaznaczono strumienie promieniowania w zakresie światła widzialnego, a czerwonym – promieniowanie cieplne, które zostało wygenerowane w wyniku pochłonięcia promieniowania słonecznego w przegrodzie budowlanej. Ta absorpcja promieniowania i jego konwersja w ciepło została zaznaczona czerwonym okręgiem.

Konwersja energii słonecznej w energię cieplną

Jak wspomniano, w wyniku pochłonięcia promieniowania energii słonecznej w przegrodzie budowlanej zachodzi jej konwersja w energię cieplną, która jest przekazywana dalej, zgodnie z jedną z definicji: „ciepło, podobnie jak praca, jest energią w ruchu”. Ten ruch (transport) energii cieplnej może się odbywać zgodnie z trzema mechanizmami wymiany ciepła, którymi są:

• konwekcja, opisana równaniami (2) i (4), która polega na transporcie energii cieplnej zawartej w będącym w ruchu wymuszonym lub naturalnym medium, którym może być: woda, powietrze, olej, spaliny. Ponieważ w próżni nie ma medium, więc i konwekcja nie zachodzi;
• przewodzenie, opisane dla przypadku płaskiego przepływu ciepła równaniem (3). Przewodzenie odbywa się poprzez wprowadzenie stykających się ze sobą atomów w ruch i co za tym idzie, przez przekaz energii kinetycznej. Ta reakcja zależy od rozmieszczenia atomów w sieci atomowej, a im większe jest ich uporządkowanie, tym przekaz energii odbywa się szybciej. Przewodzenie zachodzi więc łatwiej w ciałach stałych krystalicznych niż w amorficznych. Ciecze przewodzą ciepło trochę słabiej;
• promieniowanie termiczne (równania i prawa Plancka, Stefana Boltzmana, Kirchhoffa i Lamberta), które jest przekazem energii w postaci promieniowania o różnej długości fal. Przykładem takiego promieniowania może być promieniowanie podczerwone, które emitują prawie wszystkie ciała. Promieniowanie najlepiej rozchodzi się w gazach i w próżni. Doprowadzone ciepło Q może spowodować
• wzrost temperatury czynnika od t_p do t_k lub odwrotnie – gdy ciepło jest odprowadzone (strumień strat ciepła), temperatura ośrodka maleje od t_p do t_k.

gdzie:

m – masa czynnika [kg],

c_p– ciepło właściwe [J/(kg×K)].

Strumienie ciepła doprowadzone do czynników, których temperatury przemian fazowych (topnienia lub wrzenia) pokrywają się z temperaturą strumienia doprowadzanego ciepła, nie powodują wzrostu ich temperatury t = const., gdyż dostarczona energia jest użyta (zmagazynowana) na realizację w nich przemian fazowych.

gdzie:

q – ciepło przemiany fazowej,

q = r dla topienialub q = l dla wrzenia [J/kg],

m – masa czynnika [kg].

Konwersja energii słonecznej w cieplną w pomieszczeniu budynku

Energia słoneczna E może pełnić podwójną funkcję. Po pierwsze, może docieplać budynek, gdy padające promienie zostaną zaabsorbowane przez elewację lub gdy przejdą do pomieszczeń przez otwory okienne (rys. 5). Po drugie, słońce stanowi źródło naturalnego oświetlenia pomieszczeń.

Energia docierająca z zewnątrz przez elewację Qz,e

Promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię elewacji budynku zostaje w części odbite, co na rys. 5 oznaczono jako strumień R1, a reszta tego promieniowania jest pochłonięta (A1), ulegając konwersji w energię cieplną. Nie dotyczy to elewacji nietypowych (materiały transparentne, kafle i cegły szklane, beton z włóknem szklanym itp.), w których może wystąpić jeszcze trzeci strumień przekazu energii – przenikanie (transmisja) T.Czy i jak energia promieniowania słonecznego, docierająca do elewacji zewnętrznej budynku, zostanie wykorzystana do jego dogrzewania (izolacje transparentne lub izolacje z materiałem PCM), czy niewykorzystana (izolacje tradycyjne, np. styropianowe), zależy głównie od umiejętnego projektu budynku, bo różnice w kosztach nie są duże.

Energia docierająca z zewnątrz przez otwory okienne Q_z,o

Energia słoneczna E docierająca do okna rozdziela się na trzy strumienie R2, A2 i T. Do ogrzewania pomieszczenia można zagospodarować tylko dwa z nich, a mianowicie strumień pochłonięty w szybie, który uległ konwersji w ciepło A2, oraz strumień promieniowania, który przeniknął przez szyby T i oświetlił wnętrze pomieszczenia (podłogę i ściany). Strumień ten w wyniku następujących po sobie kolejnych odbić R3, R4, R5, R6 itd. oraz absorpcji A3, A4, A5, A6 itd. zostaje uwięziony w pomieszczeniu i zamienia się w ciepło Q_z,o

gdzie:

T_n– składowa przedostatniego strumienia odbitego, który trafił od wewnątrz pomieszczenia w światło okna R_n–1 i przez nie przeniknął na zewnątrz. Pozostałe jego składowe to R_n, strumień odbity od szyby ponownie w stronę pomieszczenia, i A_n, zaabsorbowany w szybie.

Teoretycznie po serii kolejnych odbić R_i jakaś część pierwotnego strumienia T powinna ponownie trafić w światło okna (od wewnątrz) i wydostać się przez nie na zewnątrz jako Tn. Patrząc jednak w ciągu dnia w otwarte okna, widzimy, że otwory okienne są ciemniejsze w porównaniu z elewacją, co świadczy, że wydostające się przez nie na zewnątrz promieniowanie w zakresie światła widzialnego jest pomijalnie małe (Tn › 0). Jest ono tym mniejsze, im mniejsza jest powierzchnia wszystkich okien w stosunku do kubatury pomieszczenia.

Promieniowanie słoneczne głównym źródłem doprowadzanym z zewnątrz

Znajomość podstaw teoretycznych i mechanizmów transportu energii promieniowania słonecznego, jej konwersji w energię cieplną oraz sposobów przekazywania i magazynowania wytworzonej energii cieplnej pozwoli lepiej zrozumieć możliwości jej optymalnego zagospodarowania w budynkach, tak aby maksymalnie dużo jej pozyskać, a jednocześnie nie dopuścić do powstania efektu cieplarnianego w pomieszczeniach.

Efekt cieplarniany pomieszczeń

Efekt cieplarniany (szklarniowy) (green house effect) polega na tym, że do pomieszczenia przez okna wnika promieniowanie w zakresie światła widzialnego. Jest to promieniowanie pochodzące bezpośrednio ze słońca, ale także rozproszone w chmurach i odbite od innych obiektów. Wewnątrz pomieszczenia strumień P ulega konwersji w strumień ciepła Q_z,o, który poprzez promieniowanie i konwekcję rozchodzi się po całym pomieszczeniu. Od nagrzanych ścian – przewodzeniem i od otwartych drzwi – konwekcją ciepło to przechodzi do dalszych pomieszczeń, również i tych bez okien lub z oknami od strony północnej.

Ogrzane ściany i podłogi też wydzielają energię, ale w zakresie podczerwieni i promieniowanie to nie jest już przepuszczane ani przez szyby w oknach, ani przez pozostałe nieprzezroczyste przegrody budowlane. Dlatego bilans energii słonecznej doprowadzonej z zewnątrz przez okna do pomieszczeń w stosunku do energii wyprowadzonej na zewnątrz jest dodatni.

Ta kumulacja ciepła prowadzi do wzrostu temperatury pomieszczeń, która w upalne dni może być wyższa od zewnętrznej. Mieszkanie w takim silnie nasłonecznionym domu jest bardzo uciążliwe i to nie tylko latem, gdyż zimą, przy ustawionych na określoną temperaturę kaloryferach, w dni słoneczne dochodzi również do przegrzania ze względu na dużą bezwładność systemu grzania i regulacji temperatury pomieszczeń.

Wady i zalety promieniowania słonecznego

Wszyscy znamy wady i zalety promieniowania słonecznego, ale w odniesieniu do codziennego życia. Może się jednak okazać, że te właściwości będą już całkiem inne w kontekście wykorzystania energii słonecznej jako źródła dodatkowej energii w budownictwie. Może ona poprawić lub pogorszyć bilans energetyczny budynku i jednocześnie zamiast obniżyć, podnieść komfort mieszkania w nim.

Jednak aby świadomie wykorzystać w budownictwie ogromne możliwości, które daje promieniowanie słoneczne, i jednocześnie ustrzec się błędów projektowych, trzeba jeszcze raz krytycznie przeanalizować pod tym właśnie kątem wady promieniowania słonecznego. Są wśród nich m.in.:

• cykliczna (dobowa, sezonowa i roczna) zmienność natężenia promieniowania,
• przypadkowe wahania natężenia promieniowania spowodowane zmiennymi warunkami atmosferycznymi,
• zmienny w czasie kierunek padania promieniowania słonecznego, który przekazuje największą energię, gdy pada prostopadle do
• powierzchni,
• brak możliwości bezpośredniego magazynowania promieniowania słonecznego. Energię pochodzącą od promieni słonecznych można
• przechować dopiero po konwersji w inne formy energii: termiczną (ogrzane, stopione lub zamienione w parę materiały), fizyczną
• (akumulatory prądu elektrycznego) lub chemiczną (biomasa, wodór, odwracalne reakcje egzo- i endotermiczne).

Promieniowanie słoneczne w kontekście budownictwa ma też zalety:

• nieograniczona dostępność na terenach otwartych i płaskich, w przypadku terenów górzystych – na południowych zboczach,
• bezpłatność źródła energii, na razie nieobciążonego jeszcze żadnym podatkiem, opłatą klimatyczną czy karą za nadmierne stosowanie,
• ekologiczna czystość (brak odpadów, spalin, popiołów itd.),
• obojętność chemiczna: nie powoduje korozji, nie reaguje chemicznie z typowymi materiałami budowlanymi (ceramiką, szkłem, metalami),
• a tworzywa sztuczne muszą już mieć dodatki zabezpieczające przed ultrafioletową składową promieniowania słonecznego,
• możliwość całkowitego pokrycia zapotrzebowania energetycznego w budownictwie pasywnym na terenie Polski.

Termiczne izolacje budowlane

Podstawy teoretyczne działania termoizolacji Model fizyczny przegrody budowlanej z izolacją termiczną położoną na zewnętrznej elewacji budynku lub na wewnętrznej jego ścianie przedstawiono na rys. 6.

Powtarzając wcześniejsze rozumowanie, którego wynikiem był wzór Peckleta (6) i (7) na przenikanie ciepła przez płaską przegrodę o powierzchni A, otrzymujemy zmodyfikowaną wersję tego wzoru:

gdzie:

jest współczynnikiem przenikania ciepła przez ścianę zaizolowaną termoizolacją, a δn i λn to grubość i współczynnik przewodzenia ciepła dowolnej kolejnej przegrody (druga izolacja, tynk, wykładzina, kafelki itd.).

Minimalne straty ciepła z budynku Q występują wtedy, gdy ma on minimalną powierzchnię zewnętrzną A, możliwie małą wartość współczynnika k i różnica temperatur (tpom. – totocz.) jest również mała.

Powierzchnia A

Na wielkość powierzchni zewnętrznej wpłynąć można jedynie na etapie projektowania domu, ale i tak mało kto decyduje się na formę kuli, która, jak wiadomo, ze wszystkich brył ma najmniejszą powierzchnię w stosunku do objętości. Takie kuliste formy architektoniczne można spotkać jedynie w eksperymentalnym budownictwie pasywnym [3].

Różnica temperatur

Również niewielki mamy wpływ na zmniejszanie strat ciepła Q poprzez zmianę różnicy temperatur, występującą w równaniu (15). Wartość temperatury otoczenia totocz. zależy od pogody i bez naszej woli zmienia się zimą od ok. –30 do ok.+ 5°C. Do obliczeń przyjmuje się najmniej korzystną jej wartość w zależności od strefy klimatycznej, przykładowo dla III strefy totocz. = –20°C.

Pewne pole manewru daje możliwość regulacji temperatur pomieszczeń tpom.. Im będą one niższe, tym mniejsze wystąpią straty ciepła. Jednak obniżenie temperatury poniżej indywidualnej dla każdego człowieka wartości jest możliwe tylko wtedy, gdy mieszkańcy są poza domem. W pomieszczeniach mieszkalnych temperatura utrzymywana jest w przedziale ok. 18 < tpom. < ok. 25°C. Do obliczeń przyjmuje się tpom. = 20°C.

Współczynnik przenikania ciepła

Możliwość realnej ingerencji we wzór (15), w celu zminimalizowania strat ciepła Q, daje więc jedynie obniżenie wartości współczynnika k. Jednak nie można tego robić mechanicznie, w oparciu o odpowiednie normy, ale świadomie i ze zrozumieniem znaczenia poszczególnych jego członów.

Analiza i optymalizacja współczynnika przenikania ciepła k

W mianowniku wzoru (16) występują dwie grupy oporów ciepła: opory konwekcyjne R_a,pom. = 1/α_pom. wewnątrz pomieszczenia i R_a,otocz. = 1/α_otocz. na zewnątrz budynku oraz opory w przewodzeniu ciepła R_λ,iz. = δ_iz./λ_iz. dla izolacji, R_λ,sc. = δsc./λ_sc. dla ściany i R_λ,n = δ_n/λ_n dla dowolnej przegrody.

Opory cieplne

Kolejność, a więc i miejsce położenia izolacji (na zewnętrznej lub wewnętrznej ścianie) nie mają wpływu na wartość k. Wpływa to natomiast na wartość temperatury pomiędzy izolacją i ścianą T (rys. 6). Ponieważ T_w< T_z, większe niebezpieczeństwo przekroczenia punktu rosy [4] występuje przy izolacjach wewnętrznych.

Przewodzenie – opory ciepła

Wpływ poszczególnych oporów przewodzenia R w równaniu (17) na k nie jest jednakowy. Istotne zwiększenie jednego z nich dużo bardziej zmniejszy wartość k niż nieznaczny wzrost pozostałych. Wiadomo, że R_iz.> R_sc., więc znaczne zwiększanie grubości ściany δ_sc. może dać mniejszy efekt niż niewielkie zwiększenie grubości izolacji δ_iz.

Konwekcyjne opory cieplne

Opory te są tym większe, im mniejsze są wartości konwekcyjnego współczynnika wnikania ciepła α do przegrody. Wielkość α zależy od: rodzaju medium (woda, powietrze i dowolny płyn), własności termodynamicznych medium (współczynnik przewodzenia ciepła λ, gęstość ρ, ciepło właściwe cp itd.), konfiguracji (pionowa – ściany, ukośna – skos, pozioma ku górze – podłoga, pozioma ku dołowi – sufit) oraz od rodzaju konwekcji (swobodna, naturalna i wymuszona wentylatorem lub pompą) [5, 6].

Ponieważ w pomieszczeniu zachodzi konwekcja naturalna, która jest mniej intensywną wymianą ciepła niż konwekcja wymuszona wiatrem od ścian zewnętrznych do otoczenia, to αpom. < αotocz., a stąd Rα,pom. > Rα,otocz.. Zwiększenie Rα,pom. jest praktycznie trudne w realizacji, ale należy pamiętać, aby nieświadomie nie zmniejszyć tego oporu, np. poprzez skierowanie wentylatora wewnątrz pomieszczenia na ścianę zewnętrzną lub zintensyfikowanie w jakiś inny sposób przepływu powietrza na ścianie w (rys. 6).Zwiększenie wartości oporu konwekcji zewnętrznej R_α,otocz. jest już bardziej realne. A można to zrobić np. poprzez osłonięcie elewacji najbardziej narażonej na zimowe wiatry szpalerem drzew iglastych lub pokrycie ich bluszczem.

Działanie termoizolacji a niebezpieczeństwo zawilgocenia ścian

Izolacje, poprzez zahamowanie przepływu ciepła z budynku na zewnątrz, powodują zmianę profili temperatury w ścianach. W ścianie bez izolacji spadek temperatury od t_scian do t_elew. jest bardziej płaski i mniej stromy (rys. 2) (liniowy dla λ_scian = const., wklęsły lub wypukły dla λ_scian = f (t)) niż po zastosowaniu izolacji (rys. 6). Grozi to zimą spadkiem temperatury powierzchni ściany poniżej wartości punktu rosy, wykropleniem zawartej w powietrzu wilgoci i zagrzybieniem ścian.

Termiczna izolacja zewnętrzna zawsze chroni ściany przed ich zawilgoceniem. Nie zawsze jednak konserwator zabytków wyraża zgodę na termorenowację budynku i wówczas jedyną możliwością ograniczenia strat ciepła jest izolacja wewnętrzna (rys. 6). Jednak w tym przypadku pojawia się niebezpieczeństwo przechłodzenia ściany pod izolacją do temperatury poniżej punktu rosy (T_w < T_rosy). W przypadku izolacji przepuszczającej parę doprowadzi to do kondensacji zawartej w niej wody.

Wartość temperatury rosy jest określona wilgotnością powietrza i temperaturą. Wyznacza się ją w oparciu o znormalizowane procedury obliczeniowe, z tablic lub wykresów. Do wyznaczania wartości temperatury powierzchni Tw również można korzystać z podanych schematów obliczeniowych, jednak bez zrozumienia, co i jak się liczy, nie można być pewnym wyników, zwłaszcza w nietypowych przypadkach. Ponieważ błąd obliczeniowy może mieć wówczas poważne konsekwencje finansowe (zrywanie izolacji i osuszanie ścian), należy się w każdym przypadku asekurować i przeprowadzić obliczenia sprawdzające.

Temperaturę T_w, podobnie jak t_sc. i t_elew., można obliczyć z równań (2), (4), (3) oraz (5), analogicznie jak to zostało przeprowadzone przy wyprowadzeniu zależności Peckleta (6) i (7).

Izolacja zewnętrzna

Dopasowując cytowane powyżej równania do warunków izolacji zewnętrznej (rys. 6), otrzymuje się układ równań, którego rozwiązaniem jest zależność dla T_w i k.

gdzie:

Przykładowo podstawiając do równania (23):

t_pom. = 20°C, t_otocz. = –20°C, λ_iz. = 0,032 W/(m×K),δ_iz. = 0,1 m, λ_sc. = 0,7 W/(m×K), δ_sc. = 0,3 m,α_pom. = 3 W/(m2×K) i αotocz. = 15 W/(m2×K),otrzymuje się: a = 3,458 (m²×K/W), b = 0,593(m²×K/W), a/b = 5,832, a następnie:

Po zwiększeniu grubości izolacji do δiz. = 0,15 m zmienią się jedynie a = 5,021 (m2×K/W) i a/b = 8,467 i wówczas:

Izolacja wewnętrzna

Równania (18), (21) i (22) pozostaną bez zmian, ale (19) i (20) dla izolacji wewnętrznej (rys. 6) należy następująco skorygować:

Rozwiązanie jest podobne:

gdzie:

W celu sprawdzenia do równania (28) podstawiamy te same dane: t_pom.= 20°C, t_otocz.= –20°C, λ_iz. = 0,032 W/(m×K), δ_iz. = 0,1 m, λ_sc. = 0,57W/(m×K), δ_sc. = 0,3 m, α_pom. = 3 W/(m²×K) i α_otocz. = 15 W/(m2×K). Bez zmian pozostają wartości: a = 3,458 (m²×K/W), b = 0,593(m²×K/W), a/b = 5,832, ale:

Po dwukrotnym zmniejszeniu grubości izolacji do: δ_iz. = 0,05 m otrzymuje się: a = 1,896 (m²×K/W), b =0,593 (m²×K/W) i a/b = 3,197, a następnie:

W tej sytuacji należy położyć izolacje szczelne i nieprzepuszczające pary wodnej i wilgoci, co jest raczej nierealne, lub pomiędzy izolacją a ścianą pozostawić szczelinę powietrzną, wentylowaną suchym zimnym powietrzem z zewnątrz. Powietrze to, niemające wilgoci, stanowi jednocześnie dodatkową warstwę izolacyjną. Takie rozwiązanie zastosowano przy rewitalizacji zabytkowych portierni usytuowanych po obu stronach bramy głównej Politechniki Gdańskiej [7].

Literatura

1. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, wyd. IV, WNT, Warszawa 2007.
2. Khudhair A.M., Farid M.M., Use of Phase Change Materials for Thermal Comfort and Electrical Energy Peak Load Shifting, U21 International Conference on Energy Technologies and Policy, 2008.
3. Foster & Partners, Dom mieszkalny Chesa Futura, St. Mo ritz 2001.
4. Punkt rosy, PN-91/B-02020.
5. Lewandowski W.M., Natural convection heat transfer from plates of finite dimensions, „Int. J. Heat Mass Transfer” No. 3/1991.
6. Radziemska E., Lewandowski W.M., Free convective heat transfer structures as a function of the width of isothermal horizontal rectangular plates, „Heat Transfer Engineering” No. 4/2005.
7. Lewandowski W.M., Projekt docieplenia i obliczenia termiczne stropu i stropodachu Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej przed i po dociepleniu, Gdańsk 1999

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!