Question

Opisz przepływ energii na sposów ciepła.

Answer 1

Przepływ ciepła

 

Przewodzenie ciepła

 

Zróżnicowane temperatury po obydwu stronach warstwy materiału wywołują przepływ ciepła, którego wielkość zależy od przewodności cieplnej materiału. Niektóre materiały przewodzą ciepło bardzo dobrze (np. metale), inne zaś Przewodzą ciepło bardzo słabo (np. styropian). Zdolność materiału do przewodzenia ciepła określa współczynnik przewodzenia ciepła. Badanie i określanie współczynnika przewodzenia ciepła materiału jest wykonywane zgodnie z normami: PN ISO8301 i PN ISO 8302 Izolacja cieplna – Określanie oporu cieplnego i właściwości z nim związanych w stanie ustalonym – Aparat płytowy z osłoniętą płytą grzejną oraz PN ISO 10456 Określanie deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych.

Współczynnik przewodzenia ciepła

Współczynnik przewodzenia ciepła mówi o ilości ciepła jaka przepływa przez warstwę materiału o grubości 1m.

 Zasadniczy wpływ na przewodność cieplną materiału ma jego porowatość. Ponieważ powietrze zamknięte w porach materiału posiada najniższą przewodność cieplną, to wzrost porowatości, a inaczej mówiąc spadek gęstości materiału obniża jego przewodność cieplną.

Oprócz porowatości i gęstości, wpływ na przewodność cieplną materiału ma jego wilgotność. Wraz ze wzrostem wilgotności szybko wzrasta przewodzenie ciepła. W praktyce budowlanej przy określaniu właściwości izolacyjnych przegród należy więc uwzględniać rzeczywisty stan wilgotnościowy materiałów oraz temperatury.

 Ciepło właściwe

Dla opisu niestacjonarnego przepływu ciepła przez przegrody budowlane nie wystarczy informacja tylko o przewodności cieplnej materiału. W tych warunkach bowiem, istotną rolę gra również inny parametr, a mianowicie ciepło właściwe materiału. Jest to informacja o tym, jaka ilość ciepła jest potrzebna do podgrzania materiału w warunkach wzrastającej temperatury.

Ciepło właściwe

Ciepło właściwe materiału jest to ilość ciepła potrzebna, aby podgrzać 1 kg materiału o 1 K.

Konduktancja

Współczynnik przewodzenia ciepła określa przepływ strumienia cieplnego przez warstwę materiału o grubości 1 m. Przy analizie przepływu ciepła przez konkretny element budowlany, należy uwzględnić jego rzeczywistą grubość.

Opór przenikania ciepła Warstwa materiału

Do oceny izolacyjności termicznej zewnętrznych przegród budowlanych, częściej niż konduktancji, używa się pojęcia oporu, jaki materiał stawia przepływowi ciepła. Opór cieplny warstwy materiału jest równy odwrotności konduktancji. Opór cieplny pojedynczej warstwy materiału:

 Warstwa powietrzna

Właściwości izolacyjnych zamkniętej warstwy powietrznej nie da się opisać używając do tego celu jedynie przewodności cieplnej powietrza i grubości warstwy, ponieważ oprócz przewodzenia ciepła istotna jest tu również konwekcja.

Współczynnik przejmowania ciepła

Zanim strumień cieplny dotrze do powierzchni przegrody, a od strony zewnętrznej zanim opuści przegrodę i przejdzie do powietrza zewnętrznego, musi pokonać opór przypowierzchniowych warstw powietrza.

Wymiana ciepła, jaka zachodzi w tych miejscach, odbywa się głównie na drodze konwekcji i promieniowania. Określa się ją łącznie jako przejmowanie ciepła na powierzchni przegrody i opisuje przy użyciu współczynnika przejmowania ciepła.

 Opór przejmowania ciepła

Opór przejmowania ciepła jest odwrotnością współczynnika przejmowania ciepła. W obliczeniach oporu cieplnego przegród budowlanych, wartości oporów przejmowania ciepła, dla różnych przypadków układu przegród i kierunków przepływu strumienia cieplnego, podane są w normie PN EN ISO 6946: Komponenty budowlane i elementy budynku – Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła – Metoda obliczania.

 Całkowity opór cieplny

Przepływ ciepła przez materiały przegrody jest związany z ich przewodnością cieplną, zaś wymiana ciepła na powierzchni przegrody ze współczynnikiem przejmowania ciepła. Całkowity opór cieplny przegrody oblicza się jako sumę oporów przewodzenia poszczególnych warstw przegrody i oporów przejmowania ciepła na obydwu jej powierzchniach.

 Współczynnik przenikania ciepła

Współczynnik przenikania ciepła jest równy odwrotności całkowitego oporu cieplnego przegrody.

Deklarowana i obliczeniowa wartość współczynnika przewodzenia ciepła

Dane dotyczące współczynnika przewodzenia ciepła i materiałów izolacji termicznej, przytaczane w ogólnych normach materiałowych, mają charakter orientacyjny, podają wartości, które w praktyce nie powinny być przekroczone, niezależnie od producenta materiału i innych warunków ich stosowania.

Nie znaczy to jednak, że należy wszystkie materiały traktować w ten sposób, możemy bowiem kupując materiały firmowe skorzystać z informacji, które podaje i których wiarygodność gwarantuje producent.

Mowa tu o deklarowanej przez producenta wartości współczynnika przewodzenia ciepła. ścisły sposób określania tej wartości jest przedmiotem osobnej normy europejskiej: PN EN ISO 10456:2004 Materiały i wyroby budowlane – Procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych, a także norm dotyczących odpowiednich materiałów. Tak więc wartość deklarowana przewodności cieplnej nie może być przedmiotem gołosłownych obietnic i zapewnień producenta, który chce się znaleźć na rynku, ale powinna być wynikiem trudnego procesu określania ważnej cechy produkowanego materiału.

Punktem wyjścia do określenia deklarowanej wartości współczynnika l są badania, pobranych we właściwy sposób, próbek materiału. Sposób prowadzenia badań i stosowana w tym celu aparatura jest przedmiotem kolejnych kilku norm europejskich.

W przypadku styropianu, producent powinien mieć co najmniej dziesięć wyników badań, przeprowadzonych w regularnych odstępach czasu, aby przystąpić do określania wartości deklarowanej.

Następnym krokiem jest obróbka statystyczna uzyskanych danych pomiarowych. Jej celem jest określenie deklarowanej wartości współczynnika przewodności cieplnej jako wartości reprezentującej co najmniej 90% produkcji przy 90% poziomie ufności. W języku statystyki deklarowana wartość l jest tzw. statystyczną wartością oczekiwaną. Wartość liczbowa jest podawana z dokładnością do 0.001 W/(mK).

Ze względu na zależność przewodności cieplnej od temperatury i wilgotności, wartość deklarowana musi być określona dla ściśle sprecyzowanych warunków. Jeśli badania są prowadzone w innych warunkach, to wyniki tych badań należy poddać tzw. konwersji z uwagi na wilgotność i temperaturę.

Współczynniki konwersji, czyli liczby określające jak zmienia się współczynnik przewodzenia ciepła materiału wraz z warunkami, również podane są w normie dla dużej ilości stosowanych materiałów izolacyjnych.

Określanie deklarowanej wartości współczynnika przewodzenia ciepła nie może być czynnością jednorazową. Zgodnie z zaleceniem normy, specyfikującej wyroby ze styropianu do izolacji cieplnej w budownictwie PN EN 13163:2004, wartość deklarowana powinna być przeliczana w odstępach czasu nie dłuższych niż trzy miesiące produkcji.

Producent ma obowiązek wykazać zgodność wyrobu z wartościami deklarowanymi. W dobrym projektowaniu stosowana jest jeszcze jedna wielkość związana z przewodzeniem ciepła przez materiały budowlane, a mianowicie: obliczeniowy współczynnik przewodzenia ciepła. Jak wspomniano wcześniej, warunki eksploatacji budynku w postaci klimatu zewnętrznego i wewnętrznego mają wpływ na wielkość przewodzenia ciepła materiałów. Uwzględnienie ich wpływu na właściwości izolacji termicznej pozwoli w dokładny sposób ocenić stan przegrody budowlanej, faktyczne straty ciepła czy rozkład temperatur. Określenie wartości obliczeniowej polega na uwzględnieniu różnic temperatury i wilgotności pomiędzy warunkami, dla jakich została określona wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła, a średnimi warunkami, w których ten materiał faktycznie pracuje. Obliczenia są wykonywane przy użyciu wspomnianych powyżej współczynników konwersji.