ebook Fizyka cieplna budowli w praktyce Andrzej Dylla

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2015

Racjonalizowanie zużycia energii stało się jednym z najważniejszych problemów gospodarczych. Zrodziło to potrzebę doskonalenia zarówno metod poprawy izolacyjności przegród, jak i sposobów precyzyjnego prowadzenia obliczeń cieplno-wilgotnościowych i stało się powodem zasadniczych zmian w procedurach obliczeniowych fizyki cieplnej, tak by uwzględniały one naturalną przestrzenną strukturę budowli, odniesioną do klimatu zewnętrznego w określonej lokalizacji.

Pierwsza część książki (rozdziały 1–10) dotyczy procesów wymiany ciepła, druga część (rozdziały 11–14) obejmuje badania stanu zawilgocenia przegród i złączy budowlanych. Kolejno zostały opisane:

• procedury obliczeń cieplno-wilgotnościowych,
• klimat i mikroklimat budynku,
• płaskie i przestrzenne przepływy ciepła,
• obliczanie strat ciepła z budynku do środowiska i wymiana ciepła przez grunt,
• właściwości cieplno-wilgotnościowe materiałów budowlanych,
• roczne bilansowanie zużycia energii do ogrzewania i wentylacji,
• mechanizmy przenoszenia wilgoci w przegrodach budowlanych i ochrona przeciwwilgociowa przegród oraz budynków,
• sprawdzanie kondensacji wilgoci,
• projektowanie złączy budowlanych.

Książka napisana z myślą o studentach budownictwa, architektury i inżynierii środowiska oraz inżynierach zajmujących się projektowaniem i wykonawstwem budowlanym.

Spis treści ebooka Fizyka cieplna budowli w praktyce

Wykaz ważniejszych oznaczeń XIII
Przedmowa XVII

1. Procedury obliczeń cieplno-wilgotnościowych 1

1.1. Rola fizyki cieplnej budowli w projektowaniu budynków 1
1.2. Kody ilustracyjne i obliczeniowe książki 3
1.3. Niektore błędy fizykalne w kształtowaniu struktury termoizolacyjnej budynku i ich następstwa 5
1.4. Intuicyjne i numeryczne projektowanie złączy 8
1.5. Kryterium energetyczne i wilgotnościowe 11
1.5.1. Charakterystyka energetyczna budynków 14
1.5.2. Wymagania w zakresie ochrony przeciwwilgociowej 17
1.6. Metody obliczeniowe fizyki budowli 18

2. Klimat i mikroklimat budynku 21

2.1. Elementy i rodzaje klimatu 23
2.2. Promieniowanie słoneczne 25
2.3. Temperatura powietrza zewnętrznego 27
2.4. Wilgotność powietrza atmosferycznego 30
2.5. Opady atmosferyczne 32
2.6. Wiatr i zjawiska burzowe 33
2.7. Klimat miasta 35
2.8. Obliczeniowe parametry klimatu 40
2.8.1. Parametry pogodowe w obliczeniach cieplnych 40
2.8.2. Parametry pogodowe w obliczeniach wilgotnościowych 41
2.9. Parametry mikroklimatu 44
2.9.1. Temperatury powietrza 46
2.9.2. Temperatury promieniowania, asymetria promieniowania 47
2.9.3. Wilgotność powietrza wewnętrznego 49
2.9.4. Ruch powietrza w pomieszczeniach 51
2.10. Parametry cieplne człowieka 51
2.10.1. Wydatek energetyczny, ciepło metaboliczne 52
2.10.2. Przenikanie ciepła przez odzież 53
2.11. Przegląd metod oceny komfortu cieplnego 54
2.12. Metoda Fangera oceny komfortu cieplnego 57
2.13. Pożądane wartości parametrow mikroklimatu 63
2.14. Dane do projektowania i obliczeń 65

3. Jednowymiarowe przepływy ciepła w przegrodzie 66

3.1. Zasadnicze rodzaje wymiany ciepła. Pole temperatur 68
3.2. Podstawowe zależności opisujące przewodzenie ciepła 71
3.3. Jednowymiarowe ustalone przenikanie ciepła 74
3.4. Konwekcyjne przejmowanie ciepła na powierzchni przegrody 81
3.4.1. Konwekcja swobodna na powierzchni wewnętrznej 82
3.4.2. Konwekcja wymuszona i mieszana 84
3.5. Współczynniki przejmowania ciepła przez promieniowanie 85
3.5.1. Podstawy teorii promieniowania ciepła 85
3.5.2. Wyznaczanie współczynników przejmowania ciepła przez promieniowanie 87
3.5.3. Promieniowanie ciepła do nieboskłonu 88
3.6. Złożona wymiana ciepła 91
3.6.1. Obliczeniowe wartości oporów i współczynników przejmowania ciepła 92
3.6.2. Obliczeniowe wartości oporów i współczynników przejmowania ciepła dla przypadków szczególnych 93
3.7. Obliczanie strat ciepła przez przegrody w ustalonym polu jednowymiarowym 94
3.8. Szczeliny w przegrodzie 95
3.8.1. Szczeliny zamknięte 96
3.8.2. Szczeliny słabo i dobrze wentylowane 100
3.9. Wymiana ciepła w przegrodach przeźroczystych i przez elementy specjalne 102
3.10. Przybliżone metody obliczeń cieplnych przegród niejednorodnych 106
3.10.1. Przenikanie ciepła przez proste przegrody niejednorodne, metoda „kresów” 107
3.10.2. Opór cieplny przestrzeni nieogrzewanych 116
3.11. Poprawki współczynnika przenikania ciepła 121

4. Płaskie i przestrzenne przepływy ciepła – teoria mostków cieplnych 124

4.1. Istota płaskich i przestrzennych przepływów ciepła 126
4.2. Gałęziowe strumienie ciepła w złączu 128
4.2.1. Strumienie ciepła w modelu jednostrefowym 128
4.2.2. Strumienie ciepła w modelu dwustrefowym 130
4.3. Klasyfikacja mostków cieplnych 131
4.4. Parametry termiczne określające mostek 134
4.4.1. Liniowy współczynnik przenikania ciepła 134
4.4.2. Punktowy współczynnik przenikania ciepła 139
4.4.3. Gałęziowe współczynniki przenikania ciepła 142
4.4.4. Najniższa temperatura na wewnętrznej powierzchni mostka cieplnego. Współczynnik temperaturowy f_Rsi 151
4.5. Wpływ mostka na kształtowanie warunków cieplnych środowiska 157
4.6. Metody szacowania parametrów termicznych mostków 160
4.6.1. Parametry mostków cieplnych wg katalogów ITB 160
4.6.2. Parametry mostków cieplnych wg normy PN-EN ISO 14683 162
4.6.3. Katalog mostków cieplnych przygotowany w UTP w Bydgoszczy [10, 32] 163

5. Numeryczne metody obliczeń cieplnych 166

5.1. Metody różnic i elementów skończonych 166
5.2. Praktyczne aspekty stosowania metod numerycznych 170
5.3. Zasady modelowania mostków 172
5.3.1. Geometria mostków ponad powierzchnią gruntu 174
5.3.2. Mostki w podłożu gruntowym 176
5.3.3. Procedury korekcyjne 178
5.3.4. Ustalenie wartości obliczeniowych na granicach obszaru mostka 178
5.4. Walidacja numerycznych metod i programów obliczeniowych 179
5.5. Symulacja zadań cieplno-wilgotnościowych za pomocą programów komputerowych 181
5.5.1. Pożądane cechy programów symulacyjnych 181
5.5.2. Budowanie algorytmów symulacyjnych, krok po kroku 182
5.6. Przykłady obliczeń mostków płaskich 188
5.7. Przykłady obliczania mostka przestrzennego 199
5.8. Obliczanie mostków w płaskich modelach dwustrefowych 201

6. Obliczanie strat ciepła z budynku do środowiska 206

6.1. Równanie bilansu energetycznego budynku w zakresie ogrzewania i wentylacji 206
6.2. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie z budynku do środowiska 208
6.3. Bezpośredni współczynnik H_D przenoszenia ciepła przez obudowę budynku ponad powierzchnią terenu 213
6.3.1. Współczynnik przenoszenia ciepła przez złącza 214
6.3.2. Składanie strumieni cieplnych na powierzchni przegrody 216
6.3.3. Współczynnik przenoszenia ciepła przegród 219
6.3.4. Realny współczynnik przenikania ciepła i niejednorodność przegród 222
6.3.5. Bilansowanie strumieni ciepła dla budynku 224
6.3.6. Przykłady obliczeniowe 225
6.4. Przenoszenie ciepła przez okno 237
6.4.1. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła okna 239
6.4.2. Przykłady obliczania współczynników przenikania ciepła okien 241
6.4.3. Przenoszenie ciepła przez okna i drzwi zewnętrzne z uwzględnieniem współczynnika U_w 244
6.5. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie H_U przez przestrzenie nieogrzewane (nieklimatyzowane) 247
6.5.1. Metoda uproszczona 249
6.5.2. Numeryczna metoda obliczania współczynnika przenoszenia ciepła przez przestrzenie nieogrzewane 251
6.5.3. Temperatura w przestrzeni nieogrzewanej 255
6.6. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie do przylegających budynków (lokali) H_A 256
6.7. Wentylacyjne straty ciepła 259
6.7.1. Zasady określania współczynnika przenoszenia ciepła przez wentylację 261
6.7.2. Wielkość wymiany powietrza z przestrzeni nieogrzewanej 264
6.7.3. Szczególny przypadek przestrzeni wentylowanej pod podłogą podniesioną 265

7. Wymiana ciepła przez grunt 267

7.1. Wprowadzenie 267
7.2. Klasyfikacja obudowy budynku w kontakcie z gruntem 269
7.3. Trójwymiarowa metoda numeryczna obliczania przepływów ciepła w gruncie 270
7.3.1. Podłoga na gruncie 270
7.3.2. Podziemie ogrzewane 277
7.3.3. Podziemie nieogrzewane 281
7.4. Przybliżona metoda szacowania strat ciepła przez grunt pod budynkiem 286
7.4.1. Parametry obliczeniowe 288
7.4.2. Obliczenia strat ciepła przez podłogę na gruncie 289
7.4.3. Obliczenia strat ciepła w ogrzewanym podziemiu metodą przybliżoną 293
7.4.4. Nieogrzewane przestrzenie wentylowane w metodzie przybliżonej 297
7.5. Analiza dokładności metod określania wymiany ciepła przez grunt 303
7.6. Uwzględnienie periodycznych przepływow ciepła w gruncie 304
7.6.1. Metoda uwzględniająca periodyczne przepływy ciepła w gruncie 305
7.6.2. Przykład obliczania periodycznych strumieni cieplnych 307

8. Właściwości cieplno-wilgotnościowe materiałów budowlanych 309

8.1. Charakterystyki i definicje 310
8.2. Analiza termiczna materiałów 311
8.2.1. Parametry fizyczne materiałów, kształtujące ich przewodność cieplną 311
8.2.2. Pojemność cieplna materiałów 316
8.2.3. Promieniowanie cieplne materiałów 317
8.3. Stan wilgotnościowy materiału 319
8.3.1. Sorpcja i desorpcja wilgoci 319
8.3.2. Dyfuzja pary wodnej przez przegrody 322
8.3.3. Kapilarny ruch wilgoci w materiałach budowlanych 324

9. Roczne bilansowanie zużycia energii do ogrzewania i wentylacji 327

9.1. Zasady bilansowania energetycznego 328
9.1.1. Równanie bilansu energetycznego budynku 329
9.1.2. Strefy obliczeniowe temperatury w budynkach i lokalach 330
9.2. Procedura obliczeniowa 331
9.3. Zyski ciepła od źródeł wewnętrznych 332
9.4. Zyski ciepła od nasłonecznienia 333
9.4.1. Równanie podstawowe dla typowych powierzchni przeszklonych 334
9.4.2. Całkowita przepuszczalność energii słonecznej dla powierzchni oszklonej 335
9.4.3. Czynniki korekcyjne zacienienia od przeszkód zewnętrznych 336
9.4.4. Czynniki redukcji dla ruchomych elementów zacieniających 338
9.4.5. Zyski ciepła od nasłonecznienia elementów specjalnych 339
9.5. Współczynnik wykorzystania zysków ciepła 343
9.6. Metoda obliczeń miesięcznych 346
9.7. Obliczanie rocznego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku (lokalu) 347

10. Obliczenia cieplne 349

10.1. Uwagi wstępne 349
10.2. Geneza formułowania wymagań cieplno-wilgotnościowych 351
10.3. Współczesny i przyszły poziom ochrony cieplnej 353
10.3.1. Wymagane wartości wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP 355
10.3.2. Wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła ścian budynków 356
10.3.3. Wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła dachów, stropodachów oraz podłóg stykających się z gruntem 358
10.3.4. Wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych 360
10.3.5. Graficzna ilustracja wymagań termoizolacyjnych 362
10.3.6. Wielkość przeszklenia 363
10.4. Dane do obliczeń cieplnych 364
10.5. Schemat I sprawdzenia wymagań w zakresie wartości współczynników przenikania ciepła elementów budynku 365
10.6. Schemat II sprawdzenia wymaganego poziomu wskaźnika zapotrzebowania na energię nieodnawialną 366
10.7. Przykłady obliczeniowe 368

11. Mechanizmy przenoszenia wilgoci w przegrodach budowlanych 391

11.1. Wiadomości ogólne 391
11.2. Przyczyny zawilgocenia przegród budowlanych 393
11.2.1. Wilgoć budowlana 394
11.2.2. Opady atmosferyczne 394
11.2.3. Kondensacja pary wodnej na wewnętrznej powierzchni przegrody 395
11.2.4. Kondensacja pary wodnej wewnątrz przegrody 396
11.3. Skutki nadmiernego zawilgocenia przegród 396
11.3.1. Destrukcja biologiczna wnętrz mieszkalnych oraz przegród 397
11.3.2. Fizyczne i chemiczne skutki zawilgocenia 398
11.3.3. Niszczenie przegród w wyniku zamarzania 400
11.4. Mechanizmy ruchu wilgoci w przegrodach budowlanych 401
11.4.1. Teoria dyfuzji pary wodnej przez przegrodę 402
11.4.2. Wykresy teorii dyfuzyjnej 405
11.4.3. Metody szacowania kondensacji wewnętrznej w przegrodzie 407
11.4.4. Przykład szacowania kondensacji wewnętrznej prostą metodą dyfuzyjną 412
11.4.5. Przepływy kapilarne 416

12. Ochrona przeciwwilgociowa przegród i budynków 421

12.1. Wymagania ogólne 421
12.2. Zabezpieczenia przed działaniem wód opadowych i z topniejącego śniegu 422
12.3. Izolacje przeciwwilgociowe i przeciwwodne (hydroizolacje) 424
12.3.1. Ochrona przed niebezpiecznym promieniowaniem 424
12.3.2. Izolacje przeciwwilgociowe w budynkach 425
12.4. Materiały odporne na działanie wilgoci 428
12.4.1. Materiały budowlane w środowiskach wilgotnych 429
12.4.2. Dobór materiałów budowlanych w zależności od strefy zawilgocenia przegrody 430
12.5. Ochrona przed kondensacją wilgoci na powierzchni wewnętrznej przegrody 432
12.6. Ochrona przed nadmierną kondensacją wilgoci we wnętrzu przegrody 434
12.6.1. Kształtowanie wymagań wilgotnościowych w Polsce (w ostatnich latach) 434
12.6.2. Wpływ geometrii przegród i złączy na powstawanie obszarów kondensacji międzywarstwowej 435
12.6.3. Znaczenie czasu trwania stanów krytycznych w kształtowaniu wymagań wilgotnościowych 437

13. Sprawdzenie kondensacji wilgoci 439

13.1. Warunki graniczne w zadaniach wilgotnościowych 440
13.2. Zasady szacowania kondensacji wilgoci na powierzchni wewnętrznej przegrody 444
13.3. Metoda badania kondensacji powierzchniowej wg normy PN-EN ISO 13788 445
13.3.1. Dwa sposoby ustalania dopuszczalnej wilgotności wewnętrznej 446
13.3.2. Procedury projektowe 447
13.4. Uproszczenia w szacowaniu kondensacji powierzchniowej w Polsce 450
13.5. Przykłady obliczania kondensacji w złączach płaskich i przestrzennych 452
13.6. Zasady szacowania kondensacji we wnętrzu przegrody 458
13.6.1. Procedury obliczeniowe metody Glasera 458
13.6.2. Przykłady obliczania kondensacji wewnętrznej w przegrodzie 459
13.7. Metody bardziej zaawansowane 470
13.7.1. Metoda sprzężonego transportu ciepła i masy WUFI 470
13.8. Aneks 473
13.8.1. Warunki graniczne w zadaniach sprawdzania kondensacji powierzchniowej 473
13.8.2. Obliczanie wartości krytycznej czynnika temperaturowego przy kondensacji powierzchniowej 475

14. Projektowanie złączy budowlanych 478

14.1. Wprowadzenie 478
14.2. Algorytmy szkoły projektowania złączy budowlanych 479
14.3. Modelowanie termiczne złączy płaskich 482
14.3.1. Parapet betonowy w ścianie trójwarstwowej 482
14.3.2. Balkon z nośnikiem izotermicznym i progiem klinkierowym 486
14.4. Modelowanie termiczne złączy przestrzennych 489
14.5. Modelowanie cieplno-wilgotnościowe złączy płaskich 493

Dodatek 501
Wykaz literatury 542
Wykaz norm 544