Hőtranszport a határolószerkezetekben

Átírás

1 Az épületfizika tárgya Az épületfizika tantárgy törzsanyagában szereplő témák A transzportfolyamatok vizsgálatának célja: az áramok pillanatnyi értékének meghatározása épületgépészeti rendszerek beépítendő teljesítménye az áramok integrálértékének meghatározása fogyasztás a potenciáleloszlások meghatározása állagvédelem a jó hőérzeti feltételek és belső levegőminőség biztosítása Az építészeti és szerkezettervezés célja többek között a fogyasztás csökkentése az észszerűség határáig, az állagvédelem és a megfelelő komfort biztosítása. A tárgyalt jelenségek zöme transzportfolyamat Lényege: valamilyen potenciálkülönbség miatt valami áramlik Az épületfizikában vizsgált transzportfolyamatok - hő hőmérsékletkülönbség hatására - vízgőz parciális nyomáskülönbség hatására - levegő nyomáskülönbség hatására Hőtranszport a határolószerkezetekben Sugárzást át nem bocsátó szerkezetek opak szerkezetek (azért nem átlátszatlan, mert nemcsak a látható, hanem az infrasugárzás is szerepel) 1

2 Miért hőtranszport? mert többféle folyamat játszódik le - vezetés szilárd anyagban, nyugalomban lévő folyadékban, gázban azaz a határolószerkezet szilárd anyagú rétegeiben kis vastagságú vízszintes légrétegekben, iránytól függően - átadás felület és áramló levegő között helyiség levegője és belső felület között ahol a levegő jellemzően a hőmérsékletkülönbség miatt mozog külső levegő és külső felület között ahol a szélhatás miatt még intenzívebb a légmozgás - sugárzás két olyan felület között, amelyek egymást látják belső térhatárolás és külső határolás belső felületei között külső felületek és talaj, burkolat, más épületek között külső felületek és égbolt között külső felületek és a Nap között belső felületek és a Nap között transzparens szerkezeteken át Hővezetés: Hővezetési tényező az anyag jellemzője. Értelmezése: egységnyi élhosszúságú kocka, két szemközti felülete között egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására átjutó hőenergia mennyisége Mértékegysége J smk Jele W mk Ezek a folyamatok gyakran keverednek, például egy felületen átadás és sugárzás, egy laza szálas hőszigetelésben vezetés és átadás, egy légrétegben vezetés, átadás és a szembenéző felületek között sugárzás További lehetséges forma: a levegő valahonnan valahová áramlik vagy hőmérsékletkülönbség vagy kényszer (pl. szél, szellőztető berendezés) hatására és az áramló levegő hőt is szállít - ez a konvektív transzport. Előfordul légrétegben, laza szálas hőszigetelő anyagokban. A hővezetési tényező nagyságrendje: kis sűrűségű (15-2O kg/m 3 ) hőszigetelő anyagok: O,O35-O,O4O nagyobb sűrűségű hőszigetelő anyagok O,1-O,2 könnyű falazóelemek: O, 3-O,6 tégla O,6-O,9 könnyű beton (12OO-18OO kg/m 3 ) O,4-O,8 vasbeton 1,55 acél 58 aluminium 185 Tendencia: könnyebb anyag kisebb hővezetési tényező (kivétel az aluminium) Izotróp anyag: a hővezetési tényező nem függ az iránytól Anizotróp anyag: a vezetés irányfüggő (fa, nád ) 2

3 A hővezetési tényező nem állandó: függ az anyag nedvességtartalmától, esetleges roskadástól, tömörödéstől (önsúly, más réteg, helyzete), hőmérséklettől. deklarált értéke: gyári új állapotban tervezési értéke: beépített állapotban, az előbbi hatások alatt tervezési deklarált ( 1 ) A felület és a környezet közötti hőcserét a hőátadási tényező jellemzi Jele (h), mértékegysége W/m 2 K, a belső oldalra i, a külsőre e indexek utalnak. A hőátadási tényezők reciprokai a felületi ellenállások: Ri, Re. Átadásra és hosszúhullámú sugárzásra együtt jellemző értékek. A különbség többször 1O % is lehet! Mi történik a szilvával, midőn lekvár lesz belőle? És mi történik a hőszigeteléssel, ha sablonban szendvicspanel készül? A határolószerkezetek többnyire párhuzamos síklapokkal határoltak, amelyek hőmérsékletei különböznek. A hőáram ezek síkjára merőlegesen, egy irányban áramlik (egydimenziós). A hőmérsékletek időben állandóak, a hőáram stacioner. A hőáram egyenesen arányos a hőmérsékletkülönbséggel és a hővezetési tényezővel, fordítottan a réteg vastagságával. Egységnyi homlokfelületre q ( t1 t2) W / m d A réteg jellemzője a vezetési ellenállás 2 d 2 R m K / W Több réteg esetén az egyes rétegek ellenállásai összegeződnek (az egyszerű Ohm törvény analógiájára) A teljes ellenállás Rö = Ri + Rj + Re Ennek reciproka U R i jn j1 R R j e 1 i jn j1 a hőátbocsátási tényező (k, U), mértékegysége W/m 2 K Jellemző értékek: fal: O,2 - O,7 1,5 felső zárófödém: O,1 - O,4-1,0 alsó zárófödém: O, 5 - O,9 1,7 ablak 1, 0-2,0 3,0 (mai cél századforduló hatvqnqs évek jellemző számai 1 1 d j 1 j e 3

4 A hőátbocsátási tényező ismeretében a hőáram számítható. Az épületből távozó összes hőáram (transzmissziós hőveszteség): Q = Aj Uj (ti - te) A hőáram ismeretén túl állagvédelmi szempontból szükséges a keresztmetszetben kialakuló hőmérsékleteloszlás ismerete is (páralecsapódás a belső felületen, a kapillárisokban, a szerkezet belsejében, fagyhatár). A hőmérsékleteloszlás meghatározásának elve: az áram bármely, a homlokfelülettel párhuzamos síkban ugyanakkora, vagyis minden rétegen ugyanaz az áram halad át, és ugyanez az áram halad át a belső és a külső felületen is- Ugyanakkora áram áthajtásához annál nagyobb hőmérsékletkülönbség kell, minél nagyobb az áramút adott szakaszának az ellenállása. Az egy szakaszra jutó hőmérsékletkülönbség úgy aránylik a teljes (ti - te) hőmérsékletkülönbséghez, ahogyan a szakasz ellenállása aránylik a teljes hőátbocsátási ellenálláshoz: Rj / Rö = tj / (ti - te) Egy homogén anyagú rétegben a hőmérsékleteloszlás egyenes mentén változik. A felületek mentén a hőmérséklet a felülettel érintkező igenvékony határrétegben változik. Részletek nélkül ezt csak egy ívvel jelezzük, ennek a felületet ábrázoló vonal az érintője. A szakaszhatárokon a hőmérsékletet tehát úgy állapítjuk meg, hogy a teljes hőmérsékletkülönbséget a szakasz-ellenállások arányában felosztjuk. Tekintsük a belső és a külső hőmérséklet tervezési értékeit: egyrétegű fal esetén különbségüket három részre kell osztani aszerint, hogy a két felületi ellenállás és a fal vezetési ellenállása hogyan aránylik az összes ellenálláshoz. A hőmérsékleteloszlás ismeretében a fagyhatár kijelölhető. (Megjegyzendő, hogy a pórusokban -azok méretétől függően a H2O 0 o C-nál alacsonyabb hőmérsékleten lesz szilárd halmazállapotú.) 4

5 A hőmérsékleteloszlás vonalának meredeksége arányos a hőárammal amely -egységnyi homlokfelületre - a következő formában is felírható: t1 t2 q ( t1 t2) d d A teljes hőmérsékletkülönbséget felosztjuk az ellenállások arányában Az utóbbi formában a képletben szereplő hányados az adott x - t koordinátarendszerben a vonal meredeksége. Időben állandósult folyamat esetén egy rétegből annyi áram távozik, amennyi abba belép, az áram az x tengely mentén nem változik. Ezért, amíg nem változik (az anyag homogén), addig a vonal meredeksége sem változik homogén rétegben az eloszlás lineáris. A réteghatárokon változik, ezzel a meredekség is változik - de a szorzat-azaz az áram - nem! Elvileg nem változik a kép akkor sem, ha a szerkezet többrétegű. A kiinduló adatpár a belső és a külső hómérséklet tervezési értéke: A felületeken és a réteghatárokon jelöljük a t értékeket: 5

6 A valóságban időben változó folyamatok szempontjából fontos, hogy a szerkezet mennyi hőt tárol - ez nagyban függ a rétegsorrendtől! A réteghatárokon kijelölt pontokat egy-egy rétegen belül egyenesekkel összekötjük - a szakaszok meredeksége azonnal mutatja, hol van hőszigetelő réteg: Jellemző hőmérsékleteloszlások: egyrétegű, külső, belső és közbenső hőszigetelés. A felületeknél a hőmérsékletkülönbség annál kisebb, minél nagyobb a teljes szerkezet hőátbocsátási ellenállása 6

7 7

8 Vonakmenti hőátbocsátási tényező Ψ W/mK élek mentén (sarkok, csatlakozások, pillérek, koszorúk, áthidalók, szarufák) kialakuló többlet hőveszteség számítására Pontszerű hőhídra Ψ W/K karcsú átkötések, rögzítések (betonvas, dübel) által okozott többlet hőveszteség számítására 8

9 Hőhíd szoftverrel számított eredő Uer=0,2504 W/m 2 K A számítás elve: az érkező és távozó hőáramok algebrai összege nulla Lineáris hőátbocsátási tényező: Pszi=0,0472 W/mK Rétegrendi U a gerenda keresztmetszetben: U fa = 0,4557 W/m 2 K Rétegrendi U a hőszigetelés keresztmetszetben: U szig =0,2032 W/m 2 K Felületarányosan súlyozott Uer=(U fa *A fa +U szig *A szig )/(A fa +A szig ) =0,2386 W/m 2 K Hőhídhatás 18% Hőhíd szoftverrel számított eredő Uer=0,4833 W/m 2 K Lineáris hőátbocsátási tényező: Pszi=0,1877 W/mK Rétegrendi U a gerenda keresztmetszetben: U fa =1,5248 W/m 2 K Rétegrendi U a hőszigetelés keresztmetszetben: U szig =0,2956 W/m 2 K Felületarányosan súlyozott Uer=(U fa *A fa +U szig *A szig )/(A fa +A szig ) =0,4677 W/m 2 K Hőhídhatás 63% Ha az általános helyen vett metszetet tekintjük, a követelményérték kielégítése nem tűnik problémának. De az elemen belül kritikus helyeket is találunk, hiszen az elemnek mechanikai követelményeket is ki kell elégítenie. 9

10 A fegyverzeteket összekötő elemek ugyan karcsúak, de anyaguk hővezetési tényezője három nagyságrenddel nagyobb, mint a körülötte lévő hőszigetelésé. Ezért igen karcsú kapcsolatokon is nagyságrendileg ugyanannyi hő képes távozni, mint a homlokfelület több, mint 99%-át kitevő általános metszetű (hőhídmentes) felületen. Emiatt az elem eredő hőátbocsátási tényezője jelentősen megnő a követelményérték azonban erre vonatkozik! Ha nem alkalmaznánk hőhíd megszakítást, a belső felületi hőmérséklet a csatlakozásnál mintegy 5 K-nel csökkenne. A rétegtervi hőátbocsátási tényező U = 0,21 W/m2K. A vonalmenti hőátbocsátási tényező = 0,33 W/mK, az eredő hőátbocsátási tényező U = 0,42 W/m 2 K. 10

11 A hőhídmegszakítás a belső síkon kialakuló hőmérsékletcsökkenést jelentősen mérsékli. A rétegtervi hőátbocsátási tényező U = 0,21 W/m2K. A vonalmenti hőátbocsátási tényező = 0,22 W/mK, az eredő hőátbocsátási tényező U = 0,35 W/m 2 K. Kevésbé veszélyes és veszélyes hőhidak Az eredő érték Q Q rtg j Q lj A fal U rtg ( ti te) l jj ( ti te) j U U e rtg l j j A j Vízellátás - Csatornázás Vízellátás - Csatornázás 11

12 Hőhidak Talajra fektetett padló Hővesztesége az építmény kerületéhez köthető, ezért ezt is vonalmenti hőátbocsátási tényezővel jellemezzük, mely függ: A padló rétegrendjétől, különös tekintettel a benne lévő hőszigetelés vastagságától A lábazat kialakításától, annak hőszigetelésétől A geodetikus magasságkülönbségtől Vízellátás - Csatornázás Hőhidak Talajra fektetett padló Hogyan hőszigeteljük (főleg, ha a meglévő padló rétegrendjében nincs hőszigetelés? Úgy, hogy elvágjuk a hőáram útját a hőáram ne tudja kikerülni a hőszigetelést! Vízellátás - Csatornázás 12