Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Określanie konwekcyjnych strat ciepła z pionowych powierzchni budynków za pomocą nowej metody

A new, simple method for determining heat losses in building engineering
Widok z kamery termograficznej
Widok z kamery termograficznej
fot. Flir

Kamery termowizyjne mogą znaleźć nowe zastosowanie w ocenie budynków. Dotychczas stosowano je do jakościowej kontroli strat ciepła – nowa metoda umożliwia dodatkowe pomiary ilości tych strat. Metoda ta jest prosta, szybka i nie wymaga kosztownych pomiarów. Po ustaleniu się równowagi temperaturowej, co zajmuje kilkanaście minut, oraz wykonaniu i przetworzeniu termogramu uzyskujemy dane badanego obszaru bez konieczności czasochłonnego próbkowania tradycyjnymi miernikami temperatury.

Zużycie energii do ogrzewania lub chłodzenia budynków stanowi obecnie ponad 1/3 całej produkowanej energii wykorzystywanej komercyjnie. Znaczna jej część służy do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a reszta tracona jest do otoczenia, głównie przez promieniowanie i konwekcję swobodną.

Do racjonalnego gospodarowania dostępnymi zasobami energii w budownictwie konieczne jest przeprowadzenie audytu energetycznego, a do tego niezbędna jest znajomość dokładnego bilansu energetycznego rozpatrywanego budynku.

Żeby sporządzić taki bilans, nie wystarczą same obliczenia w oparciu o tabelaryczne lub katalogowe wartości współczynnika przenikania ciepła (k) przegród budowlanych oraz właściwości termoizolacyjne używanych materiałów budowlanych. Potrzebna jest również możliwość przeprowadzenia pomiarów rzeczywistych wartości strumieni ciepła.

Do pomiaru rzeczywistych strumieni ciepła stosuje się najczęściej czujniki ciepła w postaci okrągłej tarczy o średnicy ok. 50 mm i grubości ok. 5 mm. Wewnątrz nawinięta jest na przegrodzie, o znanej grubości i przewodnictwie ciepła, szeregowa różnicowa termopara – w taki sposób, żeby zimne złącza były z jednej jej strony, a ciepłe z drugiej. Zmierzona różnica temperatury jest proporcjonalna, zgodnie z prawem Fouriera, do strumienia ciepła przechodzącego przez tarczę czujnika [1].

Duża dokładność pomiaru bezwzględnej różnicy temperatury, dochodząca do 0,005 K, nie przekłada się jednak na równie wysoką dokładność pomiaru strumieni ciepła. Przyczyną jest określony opór cieplny tarczy pomiarowej oraz nieokreślony jej opór kontaktowy ze ścianą, co powoduje, że strumień przechodzący przez ścianę bezpośrednio do otoczenia jest większy od strumienia przechodzącego przez tarczę czujnika.

Często stosowaną w audycie energetycznym budynków techniką pomiarową jest wizualizacja w podczerwieni strat ciepła z wykorzystaniem kamer termowizyjnych [2]. W literaturze odnaleźć można wiele prac dotyczących takich badań, głównie w budownictwie, poprzez straty ze ścian, okien czy drzwi budynków [3, 4, 5] i związane bezpośrednio z instalacjami wentylacyjnymi [6], oraz w energetyce [7, 8]. Zastosowania te dowodzą przydatności stosowania kamer IR do określania rozkładu temperatury na ścianach i innych elementach budynków, pozwalają wskazać miejsca powstawania strat ciepła, nie dają jednak możliwości ilościowego wyznaczenia strumieni strat ciepła.

Obrazowanie w podczerwieni (IR – ang. infrared) jest niestety tylko jakościową metodą diagnostyki wskazującą jedynie miejsca występowania strat ciepła w budynku, np. przez źle wykonane izolacje lub jej ubytki, mostki cieplne, nieszczelne drzwi lub okna. Nie można natomiast za jej pomocą określić wartości tych strat. Wprawdzie niektórzy autorzy [9, 10 i 11] uważają, że to potrafią, nie można się z tym jednak zgodzić.

Faktycznie, w oparciu o prawo Stefana–Bolzmanna, są oni w stanie określić za pomocą termografii w podczerwieni ITT (Infrared Thermal Termography) lub kamery termowizyjnej TIC (Thermal Imaging Cameras) trzy strumienie energii emitowanej: z powierzchni badanej, z ciał ją otaczających oraz promieniowanie samej atmosfery.

Odjęcie od pierwszego z tych strumieni dwóch pozostałych nie daje jednak strumienia strat ciepła, a jedynie jego radiacyjną składową. Badacze ci są tego świadomi i brakujący konwekcyjny składnik strat ciepła obliczają w oparciu o zależność Nusselt–Rayleigha lub wyznaczają, korzystając z tabelarycznie podanych, dla typowych warunków, wartości współczynników przejmowania ciepła α. Dlatego wynik ich pracy sprowadza się do opracowania ilościowej metody określania za pomocą ITT lub TIC jedynie radiacyjnej składowej, która, jak wykazano w pracy [12], wynosi ok. 64% całkowitego strumienia strat ciepła od płaskich powierzchni poziomych.

 

 

W dalszej części artykułu wskazane zostaną możliwości rozszerzenia dotychczasowych zastosowań kamery termowizyjnej także na ilościowe pomiary całkowite (radiacyjne i konwekcyjne) strat ciepła z budynków i innych urządzeń grzejnych.

Teoretyczny opis strat ciepła z budynków

Mechanizm strat ciepła z budynku przebiegają w trzech następujących po sobie etapach:

W pierwszym, ciepłe powietrze o temperaturze Twew z górnych części pomieszczenia, ogrzewa przegrodę budowlaną (np.: ścianę) od wewnątrz do temperatury Ts,wew po ochłodzeniu, opada w dół z prędkością W, powodując zstępujący konwekcyjny ruch płynu. Konwekcyjny strumień ciepła z pomieszczenia o temperaturze Twew do powierzchni ściany A, o temperaturze Ts,wew można zapisać przy pomocy równania Newtona:

Qkonw,wew = αwew · A · (Twew - Ts,wew (1)

W drugim etapie strumień ciepła Qprzew przekazywany jest poprzez przewodzenie, w poprzek płaskiej ściany o grubości d, wykonanej z materiału o współczynniku przewodzenia ciepła λ. Przy założeniu, jednowymiarowej (w kierunku x) wymiany ciepła, w stanie ustalonym, strumień przekazywanego ciepła  można zapisać przy pomocy równania Fouriera:

  (2)

Siłą napędową przepływu ciepła jest również różnica temperatur, ale w tym przypadku po obu jej stronach ściany Ts,wew i Ts,zew.

Ostatnim etapem jest z również konwekcyjna wymiana ciepła od zewnętrznej powierzchni ściany budynku do otoczenia, której intensywność zależy od różnicy temperatury pomiędzy: zewnętrzna powierzchnią ściany Ts,zew, a otoczenia Tzew. Również i ten przypadek można opisać równaniem Newtona:

Qkonw,zew = αzew · A · (Ts,zew - Tzew) (3)

W stanie ustalonym, kiedy ściany nie akumulują ciepła, a wymieniane powyżej wartości temperatur pozostają stałe, strumienie ciepła dochodzące do ściany, przechodzące przez nią i emitowane na zewnątrz, są takie same:

Qstrat = Qkonw,wew = Qprzew = Qkonw,wew) (4)

Aby z równania (4) wyznaczyć strumień strat ciepła, wystarczy obliczyć wartość jednego z trzech strumienia ciepła z równań (1-3). W przypadku strumieni konwekcyjnych (1) i (4) w warunkach rzeczywistych trudność sprawia wyznaczenie współczynników przejmowania ciepła (αzew i αwew), których wartości zależą od wielu czynników, takich jak: rodzaj konwekcji (swobodna, wymuszona), konfiguracji powierzchni (pionowa, pozioma, ukośna), jej kształtu (płaska, sferyczna, cylindryczna itp.), rodzaju płynu (powietrze, ciecze newtonowskie, nienewtonowskie, jonowe metale ciekłe), charakteru wymiany ciepła (laminarny, przejściowy lub burzliwy) oraz wielu innych., a w przypadku ścian zewnętrznych również warunki pogodowe takie jak: wiatr, deszcz, wilgotność i oraz wahania promieniowania słonecznego.

Metody wyznaczania współczynników przejmowania ciepła

Ograniczając dalsze rozważania do przypadku konwekcji naturalnej w powietrzu z płaskich pionowych powierzchni, wyniki eksperymentalne, zgodnie z konwencją przyjętą w literaturze [13, 14], można przedstawić jako zależność liczby Nusselta (Nu) w funkcji liczby Rayleigha (Ra).

 (5)

Nu = C · Ran  (6)

gdzie, C i n, to empiryczne współczynniki, wyznaczane dla różnych warunków konwekcji doświadczalnie, analitycznie, bądź numerycznie.

Przegląd zależności współczynników C i n można odnaleźć w pracach [1, 15].  Liczba Rayleigha zdefiniowana jest w następujący sposób:

(7)

gdzie: g [m/s2] jest przyśpieszeniem ziemskim, β [1/K] – termicznym współczynnikiem rozszerzalności objętościowej płynu, α [m2/s] i ν [m2/s] –  są współczynnikami dyfuzyjności cieplnej i lepkości kinematycznej tego płynu, ΔT = Tw - T [K] – to różnica temperatury powierzchni ogrzanej i płynu w obszarze niezaburzonym oraz l [m] jest charakterystycznym wymiarem liniowym zjawiska (w  przypadku ściany pionowej jest to jej wysokość).

Z przyrównania ze sobą równań (5) i (6) otrzymujemy zależność:

(8)

Po wstawieniu do równania (8)odpowiednich wartości współczynników C i n, wyznaczyć można współczynnik przejmowania ciepła α [W/m2·K] dla danych warunków konwekcji po odpowiedniej stronie przegrody budowlanej.

Innym sposobem określania strumieni strat ciepła jest bezpośredni pomiar miernikiem gęstości strumienia ciepła, które mogą być jednak obarczone sporym błędem, zwłaszcza jeśli mierniki stosuje się w sposób niewłaściwy, bez znajomości mechanizmów przenoszenia ciepła. Należy pamiętać, że czujnik takiego miernika, w postaci kołowej gumowej tarczy, jest dociskany do powierzchni badanej. Opór kontaktowy docisku oraz opór samego czujnika powodują, że strumień ciepła przechodzący przez czujnik jest mniejszy w porównaniu z tymi, które są odprowadzane z badanej powierzchni, dookoła niego.

Możliwe jest także korzystanie z programów stosowanych podczas audytów energetycznych (np. Audytor OZC). Wykorzystują one aktualne bazy danych, właściwości termofizycznych materiałów budowlanych, które opierają się na standardowych procedurach obliczeniowych. Jednakże w tym celu musimy mieć dostęp do oprogramowania i zadbać o posiadanie aktywnej licencji na jego użytkowanie.

Przeczytaj także: Jak interpretować świadectwo charakterystyki energetycznej >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
   15.09.2015

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Czy już znasz, idealne narzędzie dla projektantów sieci wod - kan » Co sprawi, że rozwiążesz problemy pomiarowe wentylacji »
aplkacja wod-kan pomiar termowizyjny
czytam więcej » spróbuj już dziś »

 


Klimatyzacja bez przeciągów - jak to możliwe »

 klimatyzator

 



Na czym polega renowacja kanalizacji bez kucia ścian » Jakich zabezpieczeń wentylacyjnych potrzebujesz »
renowacja kanalizacji
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Czy klimatyzacja jest zdrowa »

wentylacja

 



Poznaj zalety pomp nowej generacji » 5 powodów, dla których warto zainwestować w pompę ciepła »
pompy woda powietrze pompy ciepła
czytam więcej » czytam więcej »

 


Polecamy sprawdzone metody na pomiar spalin w zamkniętym pomieszczeniu »

pomiar spalin

 



Jakie produkty pomogą ci w walce o czyste powietrze » Serwis pompy ciepła bez problemów - jak to zrobić »
program czyste powietrze serwis pompy ciepła
czytam więcej » czytam więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
7-8/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 7-8/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - WT 2021 dla budynków wielorodzinnych
  • - Klimakonwektory, belki i sufity chłodzące
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl