Wpływ zawilgocenia ściany zewnętrznej budynku mieszkalnego na rozkład temperatur wewnętrznych W wyniku programu badań transportu wilgoci i soli rozpuszczalnych w ścianach obiektów historycznych, przeprowadzono pomiary rozkładu temperatur wewnątrz ściany. Badania "in-situ" wykazały, że rozkłady temperatur w jednorodnym, obustronnie otynkowanym murze ceglanym istotnie odbiegają od liniowych. Założenie stacjonarnego przewodzenia ciepła i liniowego rozkładu temperatur w poszczególnych warstwach przegrody stanowi podstawę wykonania analizy cieplno-wilgotnościowej przegród zewnętrznych [1,2]. Jednak w rzeczywistości jedynie od strony wewnętrznej przegrody występują względnie stałe warunki brzegowe, związane z rozkładem temperatur wewnętrznych. Natomiast strona zewnętrzna charakteryzuje się harmonicznymi wahaniami temperatury, które osiągają amplitudę dobową o wartości nawet do kilkunastu stopni Celsjusza. W momencie nagrzania promieniami słonecznymi powierzchni zewnętrznej przegrody, zjawisko przepływu ciepła ulega jeszcze większej komplikacji. Program badawczy Prowadząc szeroki zakres badań przepływów cieczy porowej zawierającej związki soli rozpuszczalnych w wodzie, wykonano w okresie: zima 2006 wiosna 2007 roku, kilkumiesięczne badania rozkładu temperatur wewnętrznych w jednorodnej przegrodzie. Badaniom poddano ścianę, ustyowaną od strony wschodniej budynku, która była wykonana z cegły ceramicznej pełnej o grubości 51 cm, na zaprawie wapienno-cementowej o obustronnie pokryta tynkiem cementowo-waoiennym o grubości 15-20 mm. Pomiary wykonywano czujnikiem rezystorowym Pt-1000 z dokładnością do 0,3 C, w otworach nawierconych w ścianie na jednakowej wysokości nad poziomem terenu, w rozstawie co 5 cm. Głębokość otworów o średnicy 6 mm wynosiła odpowiednio: 1 cm (tynk zewnętrzny), 2 cm (zewnętrzna powierzchnia muru ceglanego), 7 cm, 12 cm, 17 cm, 22 cm, 27 cm, 37 cm, 47 cm, 53 cm.
Pomiary na wykresach podane dla rzędnej -1 C oznaczają temperaturę powietrza atmosferycznego w chwili wykonywania pomiarów. Pomiędzy pomiarami otwory były wypełniane specjalną zatyczką z pianki PE w celu zapobieżenia wychłodzeniu wewnętrznej powierzchni ścian odwiertów przez zewnętrzne powietrze atmosferyczne. Pomiary temperatur były prowadzone na trzech wysokościach: 1. 2. 3. poziom pierwszy (ściana silnie zawilgocona) 80 cm nad terenem i 30 cm nad podłogą parteru, poziom drugi (ściana zawilgocona i zasolona) 130 cm nad terenem i 80 cm nad podłogą parteru, poziom trzeci (ściana sucha) 250 cm nad terenem i 200 cm nad podłogą parteru Rys. 1. Miejsca pomiarów temperatury na dole i górze zawilgoconej ściany budynku. W trakcie badań prowadzono ciągłą rejestrację temperatury i wilgotności względnej powietrza atmosferycznego w pobliżu zewnętrznej powierzchni badanej ściany. Zastosowane zostały loggery EL-USB-2-LCD, które zapisywały ww. dane co godzinę, z dokładnością do 0,5 C (temperatura) i 3% (wilgotność względna). Cykl pomiarów wykonywano codziennie w ciągu 5 miesięcy o stałej ustalonej porze, pomiędzy 21:30 a 22:30. Przeprowadzono również kilkanaście cykli pomiarowych pokazujących zmienność temperatur wewnątrz przegrody w ciągu doby. Pomiary temperatur wewnątrz ściany wykonywano wówczas co 3 godziny (od 6:00 do 24:00) rejestrując warunki cieplno-wilgotnościowe powietrza atmosferycznego na zewnątrz przegrody, wewnątrz pomieszczenia dodatkowo, mierzono temperaturę na wysokości prowadzonych pomiarów na powierzchni przegrody wewnątrz pomieszczenia.
Rys. 2. Wykres zmian temperatury powietrza atmosferycznego w okresie prowadzenia badań. Wybrane wyniki badań Aby w sposób czytelny zobrazować otrzymane wyniki, poniżej przedstawione zostały najbardziej charakterystyczne wyniki badań. Należy podkreślić, że w żadnym z ponad 100 cykli pomiarowych rozkład temperatur w ścianie nie był liniowy. Ściana wschodnia, część zawilgocona, luty 2007 Na rys. 3 przedstawiono przykładowe rozkłady temperatur w całej szerokości ściany uzyskane w drugiej połowie lutego 2007 roku. Wyniki dotyczą pierwszego poziomu pomiarowego.
Rys. 3. Przykładowe rozkłady temperatur w zawilgoconej ścianie zewnętrznej. Zarejestrowana temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia zawierała się w przedziale od 18,5 do 21,5 C. Ściana wschodnia spadek temperatury zewnętrznej Na rys. 4 przedstawiono kilka przykładowych wykresów temperatury przy obserwowanym przez co najmniej 18 godzin spadku temperatury powietrza atmosferycznego. W trakcie badań pogoda była pochmurna. Jedynie w opisanym wypadku rozkłady mają charakter zbliżony do liniowego. Zasięg istotnych zmian obejmuje całą grubość ściany.
Rys. 4. Przykładowe rozkłady temperatur w zawilgoconej ścianie zewnętrznej przy spadku temperatury. Ściana wschodnia wzrost temperatury zewnętrznej Na rys. 5 przedstawiono kilka przykładowych wykresów temperatury przy rosnącej przez co najmniej 18 godzin temperaturze powietrza atmosferycznego. W trakcie badań pogoda była na ogół pochmurna. Jedynie w dniu 1.03.2007 r., ściana była rozgrzana promieniowaniem słonecznym przez 4,5 godziny, zaś 27.02 przez około 2,0 godziny.
Rys. 5. Przykładowe rozkłady temperatur w zawilgoconej ścianie zewnętrznej przy wzroście temperatury. Rozkłady temperatur wewnętrznych znacznie odbiegają od rozkładów liniowych. Ściana wschodnia cześć sucha i zawilgocona Na rys. 6 przedstawiono cztery przykładowe wykresy temperatury z 27.02.2007 r. Pomiary wykonano o godzinie 15:30, po około 2 godzinach oddziaływania promieniowania słonecznego między 10:00 a 12:00 oraz o godzinie 23:50 różnica temperatur pomiędzy partią suchą i wilgotną ściany na głębokości 10 cm wynosiła około 4 C o godzinie 15:30 i około 3 C o godzinie 23:50.
Rys. 6. Przykładowe rozkłady temperatur w części suchej (góra) i zawilgoconej (dół) ścianie zewnętrznej. Ściana wschodnia oddziaływanie promieniowania słonecznego przez około 4 h Na rys. 7 przedstawiono przykładowe wykresy temperatury wewnątrz zawilgoconej części ściany wykonane w trakcie dodatkowych pomiarów w marcu 2010 roku. Rys. 7. Przykładowe rozkłady temperatur w zawilgoconej ścianie zewnętrznej poddanej promieniowaniu słońca. Zasięg 4-godzinnego oddziaływania promieniowania słonecznego wpływa silnie na zmianę rozkładu temperatur w 25 cm zewnętrznej warstwie ściany. Podsumowanie
Wyniki czteromiesięcznych badań (okres zimowy: grudzień-marzec) wykazały, że rozkład temperatury dobowej wewnątrz ściany murowanej z cegły pełnej na zaprawie cementowo-wapiennej w znacznym stopniu odbiega od liniowego. Najbardziej zbliżone do liniowych rozkłady obserwowano jedynie przy systematycznym spadku temperatury powietrza atmosferycznego przez 18 24 godzin przed pomiarem. Zaskakujący jest także otrzymany w wyniki badań wykres rozkładów temperatury wewnątrz przegrody w cyklu zmian dobowych przy amplitudzie zmienności temperatury zewnętrznej powietrza dochodzącej do kilkunastu stopni. Rozkłady temperatur w zawilgoconej części ściany znacznie odbiegają od rozkładów części nie podlegającej zawilgoceniu. W części zawilgoconej ściany od strony zewnętrznej część zawilgocona osiąga wyższe temperatury, niż sucha partia muru. Różnica dochodzi nawet do 3-4 C. Zasięg podgrzania ściany wschodniej przez 4 godziny oddziaływania promieniowania słonecznego sięga na głębokość około 25 cm od lica powierzchni zewnętrznej muru. Literatura [1] Budownictwo ogólne t.2 Fizyka budowli. Praca zbiorowa pod red. prof. P. Klemma. Arkady W-wa 2005. [2] Kubik J., Podstawy fizyki budowli. OW Politechniki Opolskiej, Opole 2008. Opracowanie redakcja na podstawie materiałów z czasopisma "Energia i Budynek". Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji. Pierwotne źródło: www.energiaibudynek.pl (07/2011). KONTAKT Energia i Budynek E-mail: m.jankowski@zae.org.pl WWW: www.energiaibudynek.pl Tel.: (0-22) 50 54 747