WADY W PROCEDURZE OBLICZANIA WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA DEFECT IN PROCEDURE OF CALCULATION OF COEFFICIENT OF PENETRATION OF WARMTH

Transkrypt

1 ANDRZEJ DYLLA, KRZYSZTOF PAWŁOWSKI WADY W PROCEDURZE OBLICZANIA WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA DEFECT IN PROCEDURE OF CALCULATION OF COEFFICIENT OF PENETRATION OF WARMTH Streszczene Głównym celem nnejszego artykułu jest analza błędów nejasnośc w oblczenach współczynnka przenkana cepła ścan zewnętrznych U k, z uwzględnenem mostków ceplnych oraz zaproponowane nowej procedury oblczeń. Słowa kluczowe: współczynnk przenkana cepła, mostek ceplny Abstract The analyss of mstakes and vagueness are a man purpose of the work n calculatons of permeatng the rate warmths of outsde walls U k consderng thermal small brdges and suggestng the new procedure of calculatons. Keywords: coeffcent of penetraton of warmth, thermal brdge Dr hab. nż. Andrzej Dylla, prof. UTP, mgr nż. Krzysztof Pawłowsk, Katedra Budownctwa Ogólnego Fzyk Budowl, Wydzał Budownctwa Inżyner Środowska, Unwersytet Technologczno- -Przyrodnczy w Bydgoszczy.

2 36 1. Wstęp W nnejszym artykule podjęto próbę oceny procedury oblczana współczynnka przenkana cepła U k ścan zewnętrznych budynku z uwzględnenem mostków ceplnych. Wymagana w zakrese ochrony ceplnej sformułowano w Rozporządzenu [11]. Zagadnenom ceplnym pośwęcono dzał X Oszczędność energ zolacyjność ceplna, w którym podano szczegółowe ogólne wymagana w tym zakrese. Uzupełnenem dzału X [11] jest załącznk 2 podający granczne wartośc współczynnków przenkana cepła U oraz odpowednch oporów ceplnych R przegród w poszczególnych budynkach. Ponadto, w załącznku 1 podano wykaz norm przedmotowych, które pownno sę stosować w procedurach oblczeń. Wymagana ceplne określono szczegółowo dla czterech grup budynków: meszkalnych welorodznnych zameszkana zborowego, jednorodznnych, użytecznośc publcznej, produkcyjnych. Podstawowym parametram oblczenowym w zakrese ochrony ceplnej w [11] są: wskaźnk zapotrzebowana na cepło E oraz współczynnk przenkana cepła U. Norma PN-EN ISO 6946 [5], przywoływana w załącznku 1 [11], jest podstawową normą dotyczącą oblczana współczynnka przenkana cepła U. Po wycofanu załącznków krajowych normy [5], sposób uwzględnana lnowych mostków ceplnych podają następujące normy: PN-EN ISO [6], PN-EN ISO [7], PN-EN ISO [8], PN-EN ISO [9]. W myśl procedur przedstawonych w [6 9] wprowadzono pojęce współczynnka sprężena ceplnego L, określającego całkowty strumeń ceplny z budynku lub przegrody do środowska, przenkający w cągu 1 h przez powerzchnę A odnesony do różncy temperatur zewnętrznej wewnętrznej wynoszącej 1 deg, oblczanego według wzoru (1) L = U A + Ψ l + χ (1) k k j gdze: U współczynnk przenkana cepła zewnętrznych przegród budowlanych, [W m -2 K -1 ], A pole powerzchn przegród uczestnczących w przenkanu, [m 2 ], Ψ k lnowy współczynnk przenkana cepła lnowego mostka ceplnego, [W m -1 K -1 ], l k długość lnowego mostka ceplnego, [m], χ j punktowy (przestrzenny) współczynnk przenkana cepła punktowego (przestrzennego) mostka ceplnego,. Człony równana oznaczają kolejno: straty cepła przez obudowę budynku (złożoną z częśc), straty przez lnowe mostk ceplne (złożone z k częśc) oraz sumę strat przez punktowe mostk ceplne w obudowe (j mostków). Interpretacja przedstawonego równana jest różna. Pojawają sę pytana, nejasnośc wątplwośc. Na przykład: dla jakej ścany (jak wybranej) należy przeprowadzać oblczena ceplne danego budynku?, czy też: jak przyjmować wartośc lnowego współczynnka przenkana cepła mostka ceplnego? Brak także kart katalogowych welu, często stosowanych rozwązań konstrukcyjno-materałowych ścan zewnętrznych budynku. Wele wątplwośc budzą już opublkowane katalog, a szczególne brak nformacj, jake przyjmowano warunk brzegowe do oblczeń strat cepła (współczynnk L 2D, Ψ ) oraz mnmalnych temperatur krytycznych w rozpatrywanych węzłach. W zwązku z wątplwoścam przeprowadzono analzę procedury oblczeń ceplnych, w szczególnośc oblczeń współczynnka przenkana cepła ścan zewnętrznych U k, z uwzględnenem lnowych mostków ceplnych.

3 2. Badana oblczena 37 Przeprowadzono oblczena współczynnka przenkana cepła U k ścany zewnętrznej budynku w klku etapach. Do oblczeń wytypowano ścany dwuwarstwowe: cegła kratówka o grubośc 25 cm współczynnku λ = 0,56 [W m -1 K -1 ], styropan o grubośc 12 cm współczynnku λ = 0,042 [W m -1 K -1 ] w hpotetycznym budynku o czterech elewacjach. Budynek parterowy z ogrzewanym poddaszem użytkowym, podłoga na grunce. Izolacja podłog styka sę bezpośredno z zolacją ścany zewnętrznej (lnowy współczynnk przenkana cepła w styku podłoga ścana przyjęto równy 0,0 według tablcy 3 normy PN-EN ISO [10]). W perwszym etape dokonano oblczeń według procedury podanej w lteraturze przedmotowej [2 4]. Rozpatrzono 4 fragmenty ścan zewnętrznych wykonano oblczena współczynnka przenkana cepła U k ze wzoru (2) zameszczonego w [2 4]: U Ψ l = U + [W m -2 K -1 ] (2) k c A gdze: U c współczynnk przenkana cepła przegrody oblczony zgodne z PN-EN ISO6946, [W m -2 K -1 ], Ψ lnowy współczynnk przenkana cepła lnowego mostka ceplnego o ndekse, [W m -1 K -1 ], l długość lnowego mostka ceplnego o ndekse, [m], A pole powerzchn przegrody w śwetle przegród do nej prostopadłych, pomnejszone o pole powerzchn ewentualnych oken drzw, oblczone w śwetle ośceży, [m 2 ]. Ryc. 1. Rzut przyzema analzowanego budynku Fg. 1. Trow analysed buldng

4 38 Fragment I (elewacja ogrodowa) Fragment III (elewacja boczna) Fragment II (elewacja frontowa) Fragment IV (elewacja boczna) Ryc. 2. Elewacje budynku Fg. 2. Elevatons of buldng Fragment I (elewacja ogrodowa) Ryc. 3. Identyfkacja mostków ceplnych elewacja ogrodowa Fg. 3. The dentfcaton of thermal brdges the garden elevaton

5 39 Fragment II (elewacja frontowa) Ryc. 4. Identyfkacja mostków ceplnych elewacja frontowa Fg. 4. The dentfcaton of thermal brdges the front elevaton Fragment III (elewacja boczna) Ryc. 5. Identyfkacja mostków ceplnych elewacja boczna Fg. 5. The dentfcaton of thermal brdges the sde elevaton

6 40 Fragment IV (elewacja boczna) Ryc. 6. Identyfkacja mostków ceplnych elewacja boczna Fg. 6. The dentfcaton of thermal brdges the sde elevaton W oblczenach, zgodne z przykładam oblczenowym podanym w [2 4], uwzględnono tylko wpływ lnowych mostków ceplnych wynkających z występowana oken drzw. Wartośc lnowych współczynnków przenkana cepła Ψ przyjęto na podstawe [2] tabl. 1. Wynk oblczeń zestawono w tabl. 2. Neuwzględnene wpływu mostków na krawędzach przegród (ścany stropy dowązujące) prowadz do nedoszacowana wartośc współczynnka U k. Następne dokonano oblczeń współczynnka przenkana cepła, uwzględnając wszystke lnowe mostk ceplne (dotyczące ścan zewnętrznych) występujące w analzowanym budynku, przedstawone w tabl. 1. Lp. Identyfkacja mostków ceplnych ścan parteru w analzowanym budynku Lnowy mostek ceplny Karta katalogowa Tablca 1 Ψ [W m -1 K -1 ] 1 naroże ścany zewnętrznej Z/S-4 0,13 2 połączene ścany z oknem w przekroju przez ośceżncę Z/O-1 0,14 3 połączene ścany z oknem w przekroju przez nadproże Z/N-1 0,05 4 połączene ścany z oknem w przekroju przez podokennk Z/P-1 0,25 5 połączene ścany ze stropem w przekroju przez wenec Z/W-7 0,09 6 połączene ścany zewnętrznej z wewnętrzną Z/S-1 0,36

7 41 Tablca 2 Wynk oblczeń współczynnka przenkana cepła U k z uwzględnenem lnowych mostków ceplnych przeprowadzonych zgodne z proceduram przedstawonym w lteraturze Fragment Oblczena współczynnka przenkana cepła U ścany k [W m -2 K -1 ] 0,14 4,6 + 0,25 3,0 + 0,05 4,0 I U k = 0,289 + = 0, ,158 = 0, ,10 0,14 7,6 + 0,25 1,5 + 0,05 2,5 II U k = 0,289 + = 0, ,127 = 0, ,35 0,14 3,0 + 0,25 1,5 + 0,05 1,5 III U k = 0,289 + = 0, ,057 = 0, ,30 IV U = 0, = 0, 289 l 1 = 2,5 + 2,5 + 2,5 + 2,5 = 10,00 m, l 2 = (2,30 + 2,30) + (2,30 + 2,30 + 1,50 + 1,50) + (1,50 + 1,50) = 4,60 + 7,60 + 3,00 = 15,20 m l 3 = 4,00 + 2,50 + 1,50 = 8,00 m l 4 = 3,00 + 1,50 + 1,50 = 6,00 m l 5 = 6,76 + 6,76 + 7,26 + 7,26 = 28,04 m l 6 = 2,50 + 2,50 = 5,00 m A 1 = (6,76 2,50) (2 1,50 1,50 + 1,00 2,30) = 10,10 m 2 A 2 = (6,67 2,50) (1,50 1,50 + 1,00 2,30) = 12,35 m 2 A 3 = ((3,51 + 3,51) 2,50) (1,50 1,50) = 15,30 m 2 A 4 = ((3,51 + 3,51) 2,50) = 17,55 m 2 k Przedstawone oblczena budzą wele wątplwośc. Dla jednego budynku uzyskujemy klka współczynnków przenkana cepła różnych dla poszczególnych ścan. Opsana powyżej procedura budz stotne zastrzeżene, jest trudna w racjonalnym stosowanu nejasna. Współczynnk Ψ podaje lnowe (na 1 mb) straty cepła przez mostek, przyjmowane zwykle w założenu rozcągnęca obszaru na odległość 1 m od krawędz mostka w obe strony od jego rdzena [2]. Częsty jest wobec tego przypadek nakładana sę w przegrodze klku mostków. W takm przypadku ne jest możlwe sumowane współczynnków Ψ dla konkretnej geometr, np. flarka: okno ścana dołączająca. W opracowanach mających służyć profesjonalnym oblczenom ceplno-wlgotnoścowym przegród budowlanych z reguły podawane są wartośc współczynnków Ψ (L ) w odnesenu do całego złącza z mostkem ceplnym uczestnczącym w przepływe cepła [2, 8]. Określene loścowego udzału poszczególnych mostków w łącznych stratach cepła przez przegrodę wymaga wyodrębnena częścowych wartośc współczynnków Ψ (L ), odpowadających gałęzom w obrębe badanej przegrody. Można to uzyskać w wynku dodatkowych oblczeń numerycznych [1]. Otrzymane wynk (tabl. 3) są węc znaczne zawyżone.

8 42 Tablca 3 42 Wynk oblczeń współczynnka przenkana cepła dla poszczególnych fragmentów ścan Lp. Lnowy mostek ceplny Karta katalogowa Ψ [W m -1 K -1 ] l [m] Analzowane fragmenty ścan zewnętrznych fragment I fragment II fragment III fragment IV Ψ l l [m] Ψ l l [m] Ψ l l [m] Ψ l 1 naroże ścany zewnętrznej Z/S-4 0,13 5,00 0,650 5,00 0,650 5,00 0,650 5,00 0,650 2 połączene ścany z oknem w przekroju przez Z/O-1 0,14 4,60 0,644 7,60 1,064 3,00 0,420 ośceżncę 3 połączene ścany z oknem w przekroju przez nadproże Z/N-1 0,05 4,00 0,200 2,50 0,125 1,50 0,075 4 połączene ścany z oknem w przekroju przez podokennk Z/P-1 0,25 3,00 0,750 1,50 0,375 1,50 0,375 5 połączene ścany ze Z/Wstropem w przekroju przez 7 wenec 0,09 6,76 0,609 6,76 0,608 7,26 0,653 7,26 0,653 6 połączene ścany Z/S-1 0,36 2,50 0,900 2,50 0,900 zewnętrznej z wewnętrzną U k ΣΨ l 2,852 2,822 3,073 2,203 A [m 2 ] 10,10 12,35 15,30 17,55 U c [W m -2 K -1 ] 0,289 l A [W m -2 K -1 ] 0,282 0,229 0,201 0,126 l = U c + [W m -2 K -1 ] A 0,571 0,518 0,490 0,415

9 43 Tablca 4 Wynk oblczeń średnego współczynnka przenkana cepła U k,śr. Lp. Lnowy mostek ceplny Ψ [W m -1 K -1 ] l [m] Ψ l 1 narożnk ścan zewnętrznych 0,125 10,00 1,750 połączene ścany z oknem w przekroju 2 przez ośceżncę 3 (*) połączene ścany zewnętrznej ze stropem z nadprożem połączene ścany z oknem przez 4 podokennk 5 (*) połączene ścany zewnętrznej ze stropem połączene ścany zewnętrznej ze 6 ścaną wewnętrzną 0,117 15,20 1,778 0,121 8,00 2,960 0,059 6,00 0,472 0,047 20,04 2,244 0,079 5,00 0,395 Ψ l [W K-1 ] 5,692 A = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 [m 2 ] 55,300 U c [W m -2 K -1 ] 0,289 U c A 15,982 L D = U A + Ψ l [W K-1 ] 21,674 c LD U k, śr. = [W m -2 K -1 ] 0,392 A (*) w przypadku mostka 3 5 przyjęto gałęzowe współczynnk Ψ wyznaczone dla częśc złącza pod stropem parteru l 1 = 2,5 + 2,5 + 2,5 + 2,5 = 10,00 m, l 2 = (2,30 + 2,30) + (2,30 + 2,30 + 1,50 + 1,50) + (1,50 + 1,50) = 4,60 + 7,60 + 3,00 = 15,20 m l 3 = 4,00 + 2,50 + 1,50 = 8,00 m l 4 = 3,00 + 1,50 + 1,50 = 6,00 m l 5 = 6,76 + 6,76 + 7,26 + 7,26 = 28,04 8,00 = 20,04 m (częścowy wpływ stropu uwzględnono w mostku 3) l 6 = 2,50 + 2,50 = 5,00 m W ostatnm etape oblczeń przeprowadzono oblczena według własnego algorytmu oblczana współczynnka przenkana cepła z uwzględnenem lnowych mostków ceplnych U k, wykorzystując współczynnk strat cepła przez przenkane mędzy przestrzeną ogrzewaną neogrzewaną L D. Efektem końcowym jest oblczene średnego współczynnka przenkana cepła ścany zewnętrznej na podstawe zależnośc (3)

10 44 L U = D k, śr. [W m -2 K -1 ] (3) A gdze: L D współczynnk sprężena ceplnego mędzy atmosferą a ścanam parteru budynku,, A pole powerzchn ścan zewnętrznych z zastosowanem wymarów wewnętrznych, pomnejszone o pole powerzchn ewentualnych oken drzw, oblczone w śwetle ośceży, [m 2 ]. Stosując tak algorytm oblczeń, otrzymujemy jeden średn współczynnk przenkana cepła dla ścan parteru rozpatrywanego budynku. Wartośc lnowych współczynnków przenkana cepła przyjęto na podstawe oblczeń własnych przeprowadzonych z zastosowanem programu komputerowego TRISCO. Warunk modelowana analzowanych detal warunk brzegowe przyjęto według norm [6, 7]. Przyjęto krok satk podzałowej równy 1 cm oraz następujące warunk: t = 20 C, R s = 0,13 [m 2 K W -1 ], h = 7,69 [W m -2 K -1 ], t e = 20 C, R se = 0,04 [m 2 K W -1 ], h e = 25,0 [W m -2 K -1 ]. W oblczenach współczynnka przenkana cepła U k,śr. przyjęto węzły konstrukcyjne dokładne tak samo jak dla przyjętych w [2]. 3. Podsumowane W wynku przeprowadzonych oblczeń uzyskano różne wartośc parametrów ceplnych dla ścan zewnętrznych budynku (L D, U k ) tabl. 5. Otrzymane wynk współczynnka L D wyznaczonego według procedur podanych w [2 4] są nedoszacowane lub zawyżone. Wynka to z błędów prezentowanych w pracy. Metoda oblczeń U c [W m -2 K -1 ] Porównane otrzymanych wynków oblczeń A L [m 2 ] U A c D = U A + Ψ l [W K-1 ] c Ψ l Tablca 5 L D Wg: [2, 3, 4] 1) 0,289 55,300 15,982 4,028 20,010 Wg: [2, 3, 4] 2) 0,289 55,300 15,982 10,950 26,932 Oblczena 0,289 55,300 15,982 5,692 21,674 własne 1) bez uwzględnena wpływu mostków na krawędzach przegród (ścany stropy dowązujące tabl. 2) 2) bez wyodrębnena częścowych wartośc współczynnka Ψ tabl. 3 Wartość współczynnka przenkana cepła U k przegrody jest jednym z jej podstawowych parametrów techncznych. Prezentowane w lteraturze przedmotowej procedury oblczana

11 współczynnka przenkana cepła U k budzą wele wątplwośc. Dokładne oblczena współczynnków U k, odnesone do poszczególnych elementów obudowy budynku, ne są możlwe bez wyodrębnena gałęzowych współczynnków Ψ złączy. Przedstawona procedura usuwa nedogodnośc stosowanych sposobów oblczana oraz proponuje ujednolcene kryterum doboru termozolacyjnośc przegrody dla całego budynku. 45 Lteratura [1] D y l l a A., P a w ł o w s k K., Współczynnk kształtu mostka ceplnego, Budownctwo Ogólne, Zagadnena konstrukcyjne, materałowe ceplno-wlgotnoścowe w budownctwe, Wydawnctwa Uczelnane ATR, Bydgoszcz [2] Pogorzelsk J.A., Awksentjuk J., Katalog mostków ceplnych. Budownctwo tradycyjne, Instytut Technk Budowlanej, Warszawa [3] Pogorzelsk J.A., Fzyka budowl, część VII, Uwzględnane lnowych mostków ceplnych, Materały Budowlane, 12/2004. [4] Praca zbor. pod ker. prof. dr. hab. nż. Potra K l e m m a, Budownctwo ogólne, t. 2, Fzyka budowl, Wydawnctwo Arkady, Warszawa [5] PN-EN ISO 6946 Komponenty budowlane elementy budynku. Opór ceplny współczynnk przenkana cepła. Metoda oblczana. [6] PN-EN ISO Mostk ceplne w budynkach. Strumeń ceplny temperatura powerzchn. Ogólne metody oblczana. [7] PN-EN ISO Mostk ceplne w budynkach. Oblczane strumen ceplnych temperatury powerzchn. Lnowe mostk ceplne. [8] PN-EN ISO14683 Mostk ceplne w budynkach. Lnowy współczynnk przenkana cepła. Metody uproszczone wartośc orentacyjne. [9] PN-EN ISO Ceplne właścwośc użytkowe budynków. Współczynnk strat cepła przez przenkane. Metoda oblczana. [10] PN-EN ISO13370 Ceplne właścwośc użytkowe budynków. Wymana cepła przez grunt. Metoda oblczana. [11] Rozporządzene Mnstra Infrastruktury z dna 7 kwetna 2004 r. zmenające Rozporządzene w sprawe warunków techncznych, jakm pownny odpowadać budynk ch usytuowane, DzU nr 109, poz