Właściwości cieplno-wilgotnościowe materiałów budowlanych
W tej części cyklu przedstawiono charakterystykę wybranych parametrów materiałów budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym, fot. Pixabay.com
Proces wymiany ciepła przez przegrody budowlane jest nieustalony w czasie, co wynika ze zmienności warunków klimatycznych na zewnątrz budynku oraz m.in. nierównomierności pracy urządzeń grzewczych. Opis matematyczny tego procesu jest bardzo złożony, dlatego w większości rozwiązań inżynierskich stosuje się uproszczony model ustalonego przepływu ciepła.
Zobacz także
Ultrapur Sp. z o.o. Pianka poliuretanowa a szczelność budynku
Wielu inwestorów, wybierając materiał do ocieplenia domu, kieruje się głównie parametrem lambda, czyli wartością współczynnika przewodzenia ciepła. Jest on jedynym zestandaryzowanym współczynnikiem, który...
Wielu inwestorów, wybierając materiał do ocieplenia domu, kieruje się głównie parametrem lambda, czyli wartością współczynnika przewodzenia ciepła. Jest on jedynym zestandaryzowanym współczynnikiem, który określa właściwości izolacyjne materiału. Jednocześnie jest współczynnikiem wysoce niedoskonałym – określa, jak dany materiał może opierać się utracie ciepła poprzez przewodzenie.
Rockwool Polska Termomodernizacja domu – na czym polega i jak ją zaplanować?
Termomodernizacja to szereg działań mających na celu poprawę energochłonności Twojego domu. Niezależnie od zakresu inwestycji, kluczowa dla osiągnięcia spodziewanych efektów jest kolejność prac. Najpierw...
Termomodernizacja to szereg działań mających na celu poprawę energochłonności Twojego domu. Niezależnie od zakresu inwestycji, kluczowa dla osiągnięcia spodziewanych efektów jest kolejność prac. Najpierw należy docieplić ściany i dach, aby ograniczyć zużycie energii, a dopiero potem zmodernizować system grzewczy. Dzięki kompleksowej termomodernizacji domu prawidłowo wykonanej znacznie zmniejszysz koszty utrzymania budynku.
Recticel Insulation Nowoczesne technologie termoizolacyjne Recticel w renowacji budynków historycznych
W dzisiejszych czasach zachowanie dziedzictwa kulturowego i jednoczesne dostosowanie budynków do współczesnych standardów efektywności energetycznej stanowi duże wyzwanie zarówno dla inwestora, projektanta...
W dzisiejszych czasach zachowanie dziedzictwa kulturowego i jednoczesne dostosowanie budynków do współczesnych standardów efektywności energetycznej stanowi duże wyzwanie zarówno dla inwestora, projektanta jak i wykonawcy. Niejednokrotnie w ramach inwestycji, począwszy już od etapu opracowywania projektu, okazuje się, że tradycyjne materiały izolacyjne i metody ich aplikacji nie są wystarczające, aby zapewnić właściwe parametry termiczne i należytą ochronę wartości historycznych budynku.
Przepływ ciepła rozpatrywany jest pod względem fizycznym, jako trzy różne sposoby:
- przewodzenie ciepła,
- konwekcja (unoszenie ciepła),
- promieniowanie cieplne.
Wymiana ciepła przez przegrodę budowlaną składa się z poszczególnych etapów:
- I – napływ ciepła na powierzchnię przegrody od strony ośrodka o wyższej temperaturze,
- II – przewodzenie ciepła wewnątrz przegrody w kierunku ośrodka o niższej temperaturze,
- III – odpływ ciepła z powierzchni przegrody do ośrodka chłodniejszego.
W analizie przenikania ciepła przez przegrody budowlane przyjmuje się następujące założenia upraszczające:
- jest to proces ustalony w czasie,
- przepływ ciepła odbywa się w kierunku prostopadłym do powierzchni przegrody,
- długość i szerokość przegrody są nieograniczone,
- warstwy przegrody wykonane są z jednorodnych, izotropowych materiałów,
- wartości współczynników przenikania ciepła są stałe na całej powierzchni przegrody.
O czym przeczytasz w artykule:
|
Artykuł jest drugą częścią cyklu pt. „Fizyka cieplna budowli w projektowaniu, wznoszeniu i eksploatacji budynków”, w którym prezentowane są zagadnienia praktyczne współczesnego budownictwa. Tym razem przedstawiono charakterystykę wybranych parametrów materiałów budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym. Heat and humidity properties of building materialsThe article is the second part of the series entitled “Thermal physics of buildings in the design, construction and operation of buildings”, which presents practical issues of contemporary construction. This time, the characteristics of selected parameters of building materials in terms of heat and humidity are presented. |
W analizie przenikania ciepła przez przegrody budowlane przyjmuje się następujące założenia upraszczające:
- jest to proces ustalony w czasie,
- przepływ ciepła odbywa się w kierunku prostopadłym do powierzchni przegrody,
- długość i szerokość przegrody są nieograniczone,
- warstwy przegrody wykonane są z jednorodnych, izotropowych materiałów,
- wartości współczynników przenikania ciepła są stałe na całej powierzchni przegrody.
Przenikanie ciepła w budynkach może być przeprowadzone przy podziale struktury na typowe przegrody: ściany, okna, drzwi, podłogi, dachy, w odniesieniu do których straty ciepła można obliczać oddzielnie na podstawie jednowymiarowego modelu przepływu ciepła, przy założeniu jednorodnej struktury przegrody, złożonej z równoległych warstw, do których strumień cieplny jest prostopadły.
Straty ciepła przez pojedyncze elementy budynku, przy przyjęciu pewnych uproszczeń, można określić za pomocą współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] (RYS. 1).
Opisane zjawisko wymiany ciepła nosi nazwę przenikania ciepła przez przegrodę budowlaną. W najprostszej postaci jest to proces ustalony w czasie i przebiegający jednokierunkowo.
Obliczenie współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2·K)] każdej projektowanej przegrody wymaga posiadania szeregu danych wejściowych, charakteryzujących przegrodę i jej usytuowanie w budynku. Są to:
- dla przegród jednorodnych – parametry geometryczne i fizyczne przegrody: grubości poszczególnych warstw di oraz odpowiadające im obliczeniowe współczynniki przewodzenia ciepła λi,
- dla przegród niejednorodnych – opory cieplne R ustalone jedną z metod przybliżonych (wg normy PN-EN ISO 6946 [1] – metoda kresów lub obliczone metodami numerycznymi),
- opory przejmowania ciepła na wewnętrznej Rsi i zewnętrznej Rse powierzchni przegrody, zależne od usytuowania przegrody (pionowa, pozioma) i warunków klimatycznych panujących w jej sąsiedztwie (konwekcja, promieniowanie).
Parametry materiałów budowlanych w aspekcie cieplno-wilgotnościowym
Odpowiednie zastosowanie materiału budowlanego do pełnienia określonych funkcji w przegrodzie zewnętrznej budynku wymaga analizy zespołu jego cech cieplno-wilgotnościowych, z uwzględnieniem rzeczywistych warunków eksploatacyjnych przegrody.
Struktura oraz pochodzenie materiału budowlanego decydują o jego różnorodnych, czasem przeciwstawnych właściwościach termicznych i wilgotnościowych. Ich uwzględnienie należy do obowiązków projektanta i decyduje nie tylko o położeniu materiału w przegrodzie, ale o samej koncepcji konstrukcji przegrody i jej złączy.
Właściwości fizykalne materiałów charakteryzuje ponadto znaczna różnorodność, zależna od rodzaju materiału, a także stanu cieplnego i wilgotnościowego, wywołanego czynnikami eksploatacyjnymi, bądź produkcyjnymi.
Analiza właściwości cieplno-wilgotnościowych materiałów budowlanych prowadzona jest z uwzględnieniem najczęściej stosowanych klasyfikacji [2, 3]:
- ze względu na pochodzenie: materiały nieorganiczne, materiały pochodzenia roślinnego, tworzywa sztuczne,
- ze względu na strukturę wewnętrzną: kapilarno-porowatą, ziarnistą lub mieszaną, włóknistą.
Ten ostatni podział jest szczególnie istotny dla wyjaśnienia fizykalnego charakteru zjawisk przepływu ciepła i masy (wilgoci) przez przegrody budowlane.
Materiał wilgotny ma strukturę niejednorodną złożoną z twardego szkieletu, wilgoci i powietrza. Wilgoć można zakwalifikować do kilku faz. Oprócz fazy stałej, ciekłej i gazowej, określa się fazy wilgoci warstw powierzchniowych o specyficznych właściwościach. Fazy wilgoci występujące w materiale oddziałują na siebie, wywołując procesy wymiany ciepła i masy.
Analiza zjawisk cieplno-wilgotnościowych polega na badaniu lub określeniu następujących głównych i podstawowych właściwości materiału:
- przewodzenie ciepła,
- pojemność cieplna,
- promieniowania cieplnego.
Stan wilgotnościowy materiału w przegrodzie określa się za pomocą następujących parametrów:
- wilgotność masowa um, wyrażająca stosunek masy wody w materiale do suchej masy tego materiału (kg/kg) [%],
- wilgotność objętościowa uv, wyrażająca stosunek objętości wody zawartej w materiale do objętości tego materiału (m3/m3) [%].
Ponadto stan wilgotnościowy określa się, podając zawartość wilgoci w jednostce objętości materiału, kg/m3.
Wybrane parametry cieplne materiałów budowlanych
W ciałach stałych przewodzenie ciepła polega na przenoszeniu energii przez swobodne elektrony oraz drganiu atomów w siatce krystalicznej ciała.
Zdolność materiałów do przewodzenia ciepła określa współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda), wyrażający ilość ciepła przenikającą w sposób ustalony, w ciągu 1 godz. przez 1 m2 płaskiej przegrody, wykonanej z danego materiału o grubości 1 m, przy różnicy temperatur na obu powierzchniach przegrody wynoszącej 1 K, w jednostce [W/(m·K)].
Przewodzenie ciepła jest podstawową cechą termofizyczną materiałów budowlanych i zmienia się dla różnych materiałów w bardzo szerokich granicach.
Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] jest funkcją gęstości, temperatury i wilgotności materiału. Istotny wpływ na jego wielkość wywiera również struktura wewnętrzna materiału.
W normalizacji wprowadzono dwa pojęcia odnoszące się do wartości współczynnika przewodzenia ciepła materiałów (lub oporu cieplnego komponentów):
- wartość deklarowaną (λD), służącą kontroli jakości produkcji, odpowiadającą warunkom laboratoryjnym,
- wartość obliczeniową (λob), służącą projektowaniu, odpowiadającą warunkom stosowania materiału w budynku.
Warunki klimatyczne (wewnątrz i na zewnątrz) budynku mają wpływ na wielkość przewodzenia ciepła materiałów. Uwzględnienie wpływu konkretnych warunków klimatycznych na element murowy pozwala w dokładny sposób ocenić faktyczne straty ciepła.
Określenie wartości obliczeniowej polega na uwzględnieniu różnic temperatury i wilgotności pomiędzy warunkami, dla jakich określono wartość deklarowaną przewodzenia ciepła, a warunkami, w których ten materiał faktycznie pracuje.
W przypadku zastosowań budowlanych istotną rolę odgrywa wilgotność. Dla materiałów do izolacji technicznych uwzględnia się przede wszystkim zmiany temperatury.
Na etapie projektowania inżynier powinien przewidzieć warunki pracy materiału i dokonać konwersji współczynnika λD do wartości λob. Przewodzenie materiału jest funkcją jego gęstości, zawartości wilgoci, temperatury, czasu od wyprodukowania materiału:
gdzie:
λob – wartość obliczeniowa współczynnika przewodzenia ciepła,
λD – wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła,
FT – temperaturowy czynnik konwersji,
FM – wilgotnościowy czynnik konwersji,
Fa – czynnik konwersji zależny od czasu od wyprodukowania materiału.
Pojemność cieplna materiału charakteryzuje jego zdolność magazynowania ciepła w jednostce objętości. Pojemnością cieplną jest więc iloczyn ciepła właściwego oraz gęstości objętościowej materiału c · ρ [J/(m3·K)].
Ciepło właściwe c to ilość ciepła w (J) potrzebna do podniesienia średniej temperatury jednostki masy danego materiału o 1 stopień. Miano ciepła właściwego wynosi J/(kg·K) lub kJ/(kg·K).
Można używać również miana Wh/(kg·K) i przeliczenia 1 kJ/(kg·K) = 0,278 Wh/(kg·K). Ciała o większym cieple właściwym mają większą bezwładność cieplną, a więc wolniej reagują na zmiany temperatury.
Wybrane parametry materiałów budowlanych w analizie transportu wilgoci
Metody używane przy identyfikacji i ustaleniu ilości wody kondensacyjnej we wnętrzu przegrody mają ugruntowane podstawy naukowe, opisane w pracy [3].
Proste metody stacjonarne służą jedynie celom informacyjnym, rozpoznawczym. Dokładniejsze (miarodajne) procedury sprawdzające ilości wody kondensacyjnej muszą korzystać z bilansu wilgoci, sporządzonego dla całego roku. Dobrze znane i powszechnie stosowane w krajach UE metody, opisane normą PN-EN ISO 13788:2003 [4], spełniają te kryteria. Pełne ich stosowanie ogranicza wąska baza danych klimatycznych dla Polski − dostępna w celach projektowych.
Bardziej zaawansowane metody numeryczne, rozpatrujące transport dyfuzyjny pary wodnej łącznie z przemieszczaniem się wody kapilarnej, jak na razie posiadają znaczenie ograniczone do badania zjawiska wysychania przegród z wilgoci początkowej, chociaż możliwe jest ich stosowanie (wymagają obszernej biblioteki danych wejściowych) w ocenie stanu wilgotnościowego przegród (metoda WUFI).
Pełniejszą analizę zapewnia metoda Glasera, która polega na uwzględnieniu warunków granicznych, z jakimi oddziałuje na przegrodę zmieniające się środowisko, które w rytmie cyklu rocznego decyduje o narastaniu niebezpieczeństwa kondensacji wewnętrznej w zimie, w lecie może prowadzić do wysuszenia przegrody. Tylko bilans roczny wilgoci z uwzględnieniem specyficznych warunków klimatycznych lokalizacji budynku może udzielić informacji o ogólnej kondycji przegrody, o możliwości neutralizowania zimowego niekorzystnego zawilgocenia.
Przegrody wysychające w miesiącach ciepłych spełniają ze względów fizykalnych warunek konieczny poprawności konstrukcji. Jednak mimo korzystnego bilansu rocznego wilgoci znaczniejsza kondensacja wewnętrzna w okresie zimowym, dotykająca warstw położonych w strefie temperatur ujemnych w przegrodzie, może znacznie pogorszyć ich właściwości cieplne, wynikające z niedostatecznej mrozoodporności poszczególnych materiałów użytych do budowy. Pojawia się więc warunek dodatkowy − zapewnienia poprawności konstrukcji ze względu na zawilgocenie wewnętrzne.
Znaczne zawilgocenie jastrychów i gładzi cementowych, umieszczonych pod pokryciami stropodachów może być powodem szybkiej degradacji tych elementów w wyniku zamarzania, nawet gdy zawilgocenie jest krótkotrwałe. Taki sam proces destrukcji może zagrozić ścianom zewnętrznym, szczególnie trójwarstwowym.
W zakresie sprawdzenia ryzyka kondensacji międzywarstwowej należy przeprowadzić obliczenia i analizy dla 12 miesięcy w roku z uwzględnieniem szczegółowych parametrów powietrza wewnętrznego pomieszczenia oraz otaczającego powietrza zewnętrznego według normy PN-EN ISO 13788:2003 [4].
Procedura obliczeniowa obejmuje następujące etapy:
- ustalenie parametrów technicznych materiałów występujących w przegrodzie:
współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
współczynnika oporu dyfuzyjnego materiału μ [-],
dyfuzyjnie równoważnej warstwy powietrza sd = μ · d [m],
oporu cieplnego warstw przegrody R [(m2·K)/W] (jeśli opór cieplny warstwy przegrody przekracza wartość R > 0,25 (m2·K)/W, należy podzielić taką warstwę na pojedyncze mniejsze, aby R < 0,25 (m2·K)/W, - przyjęcie warunków brzegowych powietrza wewnętrznego: temperatury powietrza wewnętrznego ti [°C] w zależności od przeznaczenia pomieszczenia,
oporu przejmowania ciepła Rsi = 0,13 (m2·K)/W dla ram i oszkleń oraz Rsi = 0,25 (m2·K)/W w pozostałych przypadkach,
temperatury powietrza zewnętrznego te [°C] jako średnich miesięcznych temperatury dla danej lokalizacji budynku,
oporu przejmowania ciepła Rse = 0,04 (m2·K)/W, - określenie rozkładu temperatury na stykach warstw materiałowych analizowanej przegrody: tsi = ti – U · Δt · Rsi,
RYS. 2. Parametry charakterystyczne przegrody w zakresie oceny ryzyka kondensacji międzywarstwowej; rys.: K. Pawłowski
- określenie wartości ciśnienia pary wodnej nasyconej (psat.) na stykach warstw materiałowych (na podstawie określonych temperatur na stykach warstw materiałowych z zastosowaniem tablicy: „Ciśnienie cząstkowe pary wodnej nasyconej psat. w powietrzu w funkcji temperatury t”),
- określenie wartości rzeczywistego ciśnienia pary wodnej (p) po uwzględnieniu wilgotności powietrza wewnętrznego (określenie Δp w zależności od klasy wilgotności pomieszczenia i te) i wilgotności powietrza zewnętrznego w poszczególnych miesiącach,
- zestawienie wyników obliczeń dla poszczególnych miesięcy w roku na wykresie (przykładowy RYS. 2);
- ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej na podstawie wykresów (psat.) i (p) – RYS. 3–5;
RYS. 3–5. Ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej w przegrodzie: ryzyko kondensacji międzywarstwowej nie występuje (wykresy się nie przecinają) (3), ryzyko kondensacji międzywarstwowej występuje (wykresy się przecinają) (4, 5); rys. K. Pawłowski
Przecięcie się wykresów (psat.) i (p) (w jednym lub dwóch punktach) wskazuje płaszczyznę, w której występuje ryzyko kondensacji międzywarstwowej. Szczegółowe obliczenia i analizy w tym zakresie zaprezentowano w pracach [2, 3, 5].
Podsumowanie i wnioski
Projektowanie elementów obudowy w aspekcie cieplno-wilgotnościowym sprowadza się do następujących zagadnień i parametrów fizykalnych:
- straty ciepła przez płaską przegrodę – współczynnik przenikania ciepła U [W/(m2·K)] w polu jednowymiarowym,
- straty ciepła przez złącza budowlane (mostki cieplne 2D) – liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)],
- ocena ryzyka występowania kondensacji powierzchniowej (ryzyka występowania grzybów pleśniowych) – czynnik temperaturowy ƒRsi [-],
- ocena ryzyka występowania kondensacji międzywarstwowej.
Należy podkreślić, że miarodajne określenie ww. zagadnień i parametrów fizykalnych wymaga znajomości m.in. współczynników przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] oraz oporu dyfuzyjnego μ [-]. Zasadne staje się publikowanie tablic z ww. parametrami, np. w pracach [2, 3, 5].
Literatura
- PN-EN ISO 6946:2008, „Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania”.
- A. Dylla, „Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwa Uczelniane UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2009.
- A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno‑wilgotnościowe”, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2015.
- PN-EN ISO 13788:2003, „Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej umożliwiająca uniknięcie krytycznej wilgotności powierzchni wewnętrznej kondensacji. Metody obliczania”.
- K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych budynków o niskim zużyciu energii. Obliczenia fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy w świetle wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.