FIZYKA BUDOWLI _pytania ( semestr letni 2009 / 2010 )
1. podstawowe akty prawne, w których sformułowano wymagania dot. m.in.
budynków i ich ochrony cieplnej
ROZPORZ
Ą
DZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY z dnia 12 kwietnia
2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiada
ć
budynki i ich usytuowanie ( Dz.U.02.75.690; z pó
ź
n.zm. )
Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r Prawo budowlane ( Dz.U. Nr 156 / 2006 r,
poz. 1118
z pó
ź
n. zm. )
Rozporz
ą
dzenie Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. zmieniaj
ą
ce
w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego ( Dz. U.
Nr 120, poz. 1133, zmiana Dz.U. Nr 201 / 2008, poz. 1239 )
2. materiały termoizolacyjne
materiały o obliczeniowej przewodno
ś
ci cieplnej mniejszej lub równej 0,065 W / m
⋅
K
materiały izolacyjne zapewniaj
ą
ce wymagan
ą
warto
ść
U przegród
budowlanych , zgodnie z WT
3. zasada wyznaczania całkowitego oporu cieplnego zło
Ŝ
onego procesu wymiany
ciepła
Do oceny izolacyjno
ś
ci termicznej zewn
ę
trznych przegród budowlanych, opór
jaki materiał stawia przepływowi ciepła. Opór cieplny warstwy materiału jest
równy odwrotno
ś
ci konduktancji. Iloraz przewodno
ś
ci cieplnej materiału
i grubo
ś
ci jego warstwy jest okre
ś
lany jako konduktancja cieplna.
Konduktancja okre
ś
la, jaka ilo
ść
ciepła [ W×s ] przepływa przez warstw
ę
materiału budowlanego o grubo
ś
ci [ d ] przy nast
ę
puj
ą
cych warunkach
brzegowych: A = 1 m
2
,
∆
T = 1 K, t = 1 s
Całkowity opór cieplny przegrody oblicza si
ę
jako sum
ę
oporów przewodzenia
poszczególnych warstw przegrody i oporów przejmowania ciepła na obydwu
jej powierzchniach
R
T
= R
si
+
Σ
R
j
+ R
se
[ m
2
K / W ]
R
j
= d /
λ
d - grubo
ść
warstwy przegrody [ m ]
λ
- wsp. przewodzenia ciepła [ W / m*K ]
R
si
-
opór przejmowania na zewn
ą
trz
R
se
-
opór przejmowania wewn
ą
trz
4. definicja _współczynnika przenikania ciepła _ dwie
współczynnik przenikania ciepła odpowiada ilo
ś
ci ciepła [ W×s ] jaka
przenika przez
przegrod
ę
budowlan
ą
,
z
uwzgl
ę
dnieniem
przypowierzchniowych warstw
powietrznych,
przy
nast
ę
puj
ą
cych
warunkach brzegowych:
A = 1 m
2
,
∆
T = 1 K, t = 1 s
przy u
Ŝ
yciu współczynnika przenikania ciepła mo
Ŝ
na opisa
ć
ilo
ść
ciepła,
jaka przenika przez przegrody osłaniaj
ą
ce ogrzewane wn
ę
trze budynku,
współczynnik
przenikania
ciepła
przez
element
konstrukcyjny
charakteryzuje wielko
ść
strat ciepła ( 1W ), z wn
ę
trza pomieszczenia
na zewn
ą
trz na powierzchni 1m² przy ró
Ŝ
nicy temperatur 1°C ( 1 K .
współczynnik przenikania ciepła to stosunek g
ę
sto
ś
ci ustalonego strumienia
cieplnego do ró
Ŝ
nicy temperatur powietrza po obu stronach przegrody.
Współczynnik przenikania ciepła jest odwrotno
ś
ci
ą
współczynnika oporu
cieplnego. Charakteryzuje jako
ść
elementu budowlanego pod wzgl
ę
dem
jego izolacyjno
ś
ci cieplnej.
5. zale
Ŝ
no
ść
miedzy współczynnikiem przenikania ciepła a oporem cieplnym
współczynnik
przenikania ciepła jest równy odwrotno
ś
ci całkowitego oporu
cieplnego przegrody
U
O
= 1 / R
T
[ W / m
2
K ]
6. od czego zale
Ŝ
y ilo
ść
ciepła przenikaj
ą
ca przez przegrod
ę
budowlan
ą
Ilo
ść
ciepła przenikaj
ą
cego przez przegrod
ę
oblicza si
ę
wg wzoru :
Q= U x (
Θ
i
–
Θ
e
) x Ax T ( Wh )
gdzie:
U – współczynnik przenikania ciepła charakteryzuj
ą
cy własno
ś
ci przegrody
( W / m
2
⋅
K )
Θ
i
oraz
Θ
e
- temperatura powietrza wewn
ą
trz i na zewn
ą
trz pomieszczenia
(
o
C )
A – powierzchnia przegrody ( m
2
),
T - czas trwania procesu przenikania ciepła ( h )
Na warto
ść
strat ciepła mo
Ŝ
na wpływa
ć
głównie przez dobór materiałów, a tym
samym
kształtowanie
warto
ś
ci
współczynników
przenikania
ciepła
poszczególnych przegród
7. co wywołuje przepływ ciepła
je
Ŝ
eli w obr
ę
bie ciała wyst
ę
puje ró
Ŝ
nica temperatur, albo te
Ŝ
pojawia sie
ró
Ŝ
nica temperatur pomi
ę
dzy dwoma ciałami, to zgodnie z pierwsz
ą
zasad
ą
termodynamiki uruchamiana jest naturalna d
ąŜ
no
ść
do wyrównywania
temperatury. Energia cieplna przepływa od ciała cieplejszego do
chłodniejszego tak długo, dopóki temperatury nie zostan
ą
wyrównane.
Przepływ ciepła mo
Ŝ
e si
ę
odbywa
ć
na ró
Ŝ
ne sposoby: poprzez przewodzenie
ciepła, konwekcj
ę
i promieniowanie.
8. co wywołuje przepływ wilgoci
ruch wilgoci ( głównie dyfuzja pary wodnej ) przez przegrody, wywołany
ró
Ŝ
nic
ą
temperatur i wilgotno
ś
ci wzgl
ę
dnych powietrza w pomieszczeniu
i na zewn
ą
trz budynku. Ochrona przed kondensacj
ą
jest powi
ą
zana
z izolacyjno
ś
ci
ą
termiczn
ą
przegród budowlanych; sprawdzenie mo
Ŝ
liwo
ś
ci
wykraplania pary wodnej na wewn
ę
trznej powierzchni przegród oraz
we wn
ę
trzu przegród budowlanych; efektem ochrony przed wilgoci
ą
jest
zdrowy mikroklimat oraz wn
ę
trze pozbawione grzybów ple
ś
niowych
9. sposób wyznaczania powierzchni wymiany ciepła – przegród budowlanych, -
otworów okiennych i drzwiowych
pole powierzchni okien i drzwi oblicza si
ę
na podstawie zewn
ę
trznych wymiarów
o
ś
cie
Ŝ
nic, czyli w
ś
wietle otworów w
ś
cianach
pozostałe przegrody:
•
wg PN – B – 02025:2001
w osiach symetrii przegród
•
wg PN – EN ISO 13790:2008
według
wymiarów
zewn
ę
trznych
do wyznaczania współczynnika przenoszenia ciepła przez przenikanie oraz
oblicze
ń
cieplnych
10. definicja _współczynnik kształtu budynku, jak wyznaczamy jego warto
ść
A / Ve – stosunek pola powierzchni przegród zewn
ę
trznych ogrzewanej
cz
ęś
ci budynku (
ś
cian zewn
ę
trznych, dachów i stropodachów, podłóg
na gruncie lub stropów nad piwnic
ą
nie ogrzewan
ą
), do kubatury ogrzewanej
cz
ęś
ci budynku.
Wartość graniczna wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
budynku jest obliczana w zaleŜności od współczynnika kształtu A/V
11. wymagania WT w zakresie ochrony cieplnej
§ 328. 1. budynek i jego instalacje powinny by
ć
zaprojektowane i wykonane w
taki sposób, aby ilo
ść
ciepła, chłodu i energii elektrycznej, potrzebnych do
u
Ŝ
ytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem, mo
Ŝ
na było utrzyma
ć
na racjonalnie niskim poziomie.
§ 329. 1. przegrody zewn
ę
trzne budynku odpowiadaj
ą
wymaganiom
izolacyjno
ś
ci cieplnej opisanym w pkt 1. zał
ą
cznika nr 2 do rozporz
ą
dzenia,
oraz powierzchnia okien spełnia wymagania okre
ś
lone w pkt 2.1. zał
ą
cznika nr
2, przy czym dla budynku przebudowywanego dopuszcza sie zwi
ę
kszenie
ś
redniego współczynnika przenikania ciepła osłony budynku o nie wi
ę
cej ni
Ŝ
15 % w porównaniu z budynkiem nowym o takiej samej geometrii i sposobie
u
Ŝ
ytkowania, a tak
Ŝ
e je
Ŝ
eli przegrody zewn
ę
trzne budynku odpowiadaj
ą
przynajmniej
wymaganiom
izolacyjno
ś
ci
cieplnej
niezb
ę
dnej
dla
zabezpieczenia przed kondensacja pary wodnej;
Warto
ś
ci współczynnika przenikania ciepła przegrody, obliczone zgodnie
z Polskimi Normami dotycz
ą
cymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika
przenikania ciepła, nie mog
ą
by
ć
wi
ę
ksze ni
Ŝ
okre
ś
lone warto
ś
ci
U
max
[ W / m
2
⋅
K ]:
dla
ś
ciany zewn
ę
trznej stykaj
ą
cej si
ę
z powietrzem zewn
ę
trznym
( niezale
Ŝ
nie od rodzaju
ś
ciany):
•
przy ti > 16 °C , U
max
= 0,30 [ W / m
2
⋅
K ],
•
przy ti
≤
16 °C, , U
max
= 0,80 [ W / m
2
⋅
K ],
dachy, stropodachy i stropy nad przejazdami:
•
przy ti > 16 °C, , U
max
= 0,25 [ W / m
2
⋅
K ],
•
przy 8 °C < ti
16 °C, U
max
= 0,50 [ W / m
2
⋅
K ]
podłoga na gruncie: U
max
= 0,80 [ W / m
2
⋅
K ]
okna, drzwi balkonowe i drzwi zewn
ę
trzne
•
okna (z wyj
ą
tkiem połaciowych), drzwi balkonowe i powierzchnie
przezroczyste nieotwieralne w pomieszczeniach o ti
≥
16 °C: w I, II i III
strefie klimatycznej U
max
= 1,80 [ W / m
2
⋅
K ]; w IV i V strefie
klimatycznej U
max
= 1,70 [ W / m
2
⋅
K ]
•
okna połaciowe (bez wzgl
ę
du na stref
ę
klimatyczn
ą
) w pomieszczeniach
o ti
≤
16 °C U
max
= 1,80 [ W / m
2
⋅
K ]
•
okna w
ś
cianach oddzielaj
ą
cych pomieszczenia ogrzewane od
nieogrzewanych U
max
= 2,60 [ W / m
2
⋅
K ]
•
okna pomieszcze
ń
piwnicznych i poddaszy nieogrzewanych oraz nad
klatkami schodowymi nieogrzewanymi - bez wymaga
ń
•
drzwi zewn
ę
trzne wej
ś
ciowe U
max
= 2,60 [ W / m
2
⋅
K ]
12. jednostki
współczynnik przenikania ciepła
U
W / m
2
⋅
K
współczynnik przewodzenia ciepła
λ
W / m
⋅
K
opór cieplny
R
m
2
⋅
K
/ W
roczne zapotrzebowanie na ciepło / energi
ę
do ogrzewania
Q
PH
kWh / rok
wska
ź
nik sezonowego zapotrzebowania na energi
ę
do ogrzewania
EP
kWh / m
2
⋅
rok
współczynnik strat ciepła
H
tr
W / m
2
⋅
K
13. definicja _gł
ę
boko
ść
przemarzania
GŁĘBOKOŚĆ PRZEMARZANIA GRUNTU. Głębokość, do której zimą zamarza grunt i zawarta w nim woda
gruntowa. Średnia głębokość przemarzania to ok. 1 m. Wielkość ta zaleŜy od strefy klimatycznej (w
mniejszym stopniu od rodzaju gruntu) i decyduje o głębokości, na której prowadzi się rurociągi
Konstrukcja
ś
ciany powinna by
ć
taka, aby nie dochodziło do skraplania pary wodnej na jej
powierzchni wewn
ę
trznej.
Ś
ciana musi by
ć
równie
Ŝ
odizolowana od wilgoci i zabezpieczona
przed kapilarnym podci
ą
ganiem wody. Zawilgocenie i przemarzanie
ś
cian niszczy struktur
ę
materiałów
ś
ciennych, powoduje powstawanie plam i wykwitów, zagrzybienie i stwarza złe
warunki zdrowotne w pomieszczeniach
Ochrona przed kondensacj
ą
jest powi
ą
zana z izolacyjno
ś
ci
ą
termiczn
ą
przegród
budowlanych. Analiza ruchu wilgoci ( głownie dyfuzja pary wodnej ) przez
przegrody, wywołana ró
Ŝ
nic
ą
temperatur i wilgotno
ś
ci wzgl
ę
dnych powietrza w
pomieszczeniu i na zewn
ą
trz budynku.
Przedmiotem oblicze
ń
sprawdzaj
ą
cych jest mo
Ŝ
liwo
ść
wykraplania pary wodnej
na
wewn
ę
trznej powierzchni przegród, zgodnie z obowi
ą
zuj
ą
cymi przepisami oraz we
wn
ę
trzu przegród budowlanych.
Ochrona przed kondensacj
ą
nie zajmuje
ś
rodkami zapobiegaj
ą
cymi przed
opadami, podci
ą
ganiem wilgoci z gruntu, wodami gruntowymi.
Celem ochrony przed kondensacj
ą
wgł
ę
bn
ą
jest:
stworzenie dogodnych warunków we wn
ę
trzu,
utrzymanie wła
ś
ciwej izolacyjno
ś
ci termicznej
ochrona przegród przed uszkodzeniem w wyniku nadmiernego zawilgocenia
zapewnienie trwało
ś
ci fizycznej i jako
ś
ci materiałów
Efektem ochrony przed wilgoci
ą
jest zdrowy mikroklimat oraz wn
ę
trze pozbawione
grzybów ple
ś
niowych.
14. proste i zło
Ŝ
one sposoby wymiany ciepła
proste przewodzenie – przekazywanie ciepła mi
ę
dzy bezpo
ś
rednio
stykaj
ą
cymi si
ę
cz
ęś
ciami jednego ciała lub ró
Ŝ
nych ciał. Dotyczy to ciał
stałych, płynów i gazów; Straty cieplne z budynku przez przegrody
budowlane s
ą
zwi
ą
zane głównie z przewodzeniem ciepła
zło
Ŝ
one konwekcja – ruch cz
ą
stek o
ś
rodka w którym nast
ę
puje wymiana
ciepła.
Dotyczy
to
powietrza
i
innych
gazów
oraz
cieczy;
promieniowanie – wymiana ciepła mi
ę
dzy powierzchniami ciał stałych za
po
ś
rednictwem fal elektromagnetycznych
15. definicja _stopniodni_SD
liczba dni ogrzewania w sezonie
S
D
=
Σ
(
θ
i -
θ
e ) L
D( M )
[ dzie
ń
· K / a ]
Liczba S
D
zale
Ŝ
y od lokalizacji ( temp. zewn. i liczby dni ) oraz od temperatury
wewn
ę
trznej pomieszczenia.
16. definicja _ współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie ( strat ciepła
przez przenikanie ) _ H
tr
wielko
ść
strumienia cieplnego przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej
do
ś
rodowiska zewn
ę
trznego, podzielona przez ró
Ŝ
nic
ę
temperatury pomi
ę
dzy
ś
rodowiskiem zewn
ę
trznym i wewn
ę
trznym
•
Metoda obliczania i zastosowanie współczynnika strat ciepła przez przenikanie
( H
tr
) okre
ś
lona jest w normie PN-EN ISO 13 789 „Wła
ś
ciwo
ś
ci cieplne
budynków. Współczynnik strat ciepła przez przenikania. Metoda obliczeniowa”
17. składniki bilansu cieplnego budynku, podstawowe ró
Ŝ
nice
zyski i straty ciepła, wg PN – B – 02025
straty ciepła:
•
strumie
ń
strat ciepła przez przenikanie przez przegrody pełne
•
strumie
ń
strat ciepła przez przenikanie przez okna
•
strumie
ń
strat ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego
•
strumie
ń
ciepła wypromieniowany w długofalowej cz
ęś
ci widma
zyski ciepła
•
strumie
ń
zysków ciepła od promieniowania przez przegrody pełne
•
strumie
ń
zysków ciepła od promieniowania przez okna
•
strumie
ń
wewn
ę
trznych zysków ciepła ( od ludzi, o
ś
wietlenia i urz
ą
dze
ń
)
•
strumie
ń
ciepła dostarczany przez system grzewczy
strumie
ń
ciepła akumulowany w budynku
( w przegrodach i wyposa
Ŝ
eniu )
W celu utrzymania temperatury w pomieszczeniu na zało
Ŝ
onym poziomie
nadwy
Ŝ
ka strat nad zyskami musi by
ć
kompensowana ciepłem dostarczanym
przez instalacj
ę
ogrzewania.
W bilansie cieplnym pomieszczenia uwzgl
ę
dnia si
ę
:
•
straty ciepła zwi
ą
zane z jego przenikaniem przez obudow
ę
i wentylacj
ą
pomieszcze
ń
,
•
zyski ciepła od docieraj
ą
cego do pomieszczenia promieniowania słonecznego
i wewn
ę
trzne od ludzi i wyposa
Ŝ
enia
Udziały ww. składników w bilansie cieplnym budynku zale
Ŝą
od:
•
jego lokalizacji i usytuowania wzgl
ę
dem kierunków geograficznych i s
ą
siedniej
zabudowy,
•
wielko
ś
ci i kształtu bryły budynku,
•
ilo
ś
ci i rozmieszczenia okien i innych elementów przezroczystych
w przegrodach zewn
ę
trznych,
•
izolacyjno
ś
ci cieplnej obudowy,
•
przepuszczalno
ś
ci promieniowania słonecznego cz
ęś
ci przezroczystych
obudowy,
•
intensywno
ś
ci i sposobu wentylacji pomieszcze
ń
,
•
cz
ę
sto
ś
ci i sposobu eksploatacji pomieszcze
ń
.
W budynkach z nieszczeln
ą
obudow
ą
, powoduj
ą
c
ą
nadmiern
ą
infiltracj
ę
, najwi
ę
ksze
straty ciepła s
ą
zwi
ą
zane z nadmiern
ą
wymian
ą
powietrza w pomieszczeniach.
W wi
ę
kszo
ś
ci istniej
ą
cych budynków mieszkalnych z wentylacj
ą
naturaln
ą
jej
intensywno
ść
w znacznym stopniu jest kształtowana przez u
Ŝ
ytkowników, którzy j
ą
ograniczaj
ą
w okresie najni
Ŝ
szych temperatur w celu zmniejszenia napływu
mro
ź
nego powietrza i oszcz
ę
dzania ciepła.
18. bilans cieplny przegród przezroczystych w okresie ogrzewczym oraz w ci
ą
gu
roku
strumie
ń
ciepła przez przegrody przezroczyste stanowi kilkadziesi
ą
t procent
w stosunku do promieniowania całkowitego padaj
ą
cego na ich powierzchni
ę
,
zale
Ŝ
y od liczby szyb i ich wła
ś
ciwo
ś
ci optycznych oraz od stopnia
zabrudzenia;
strumie
ń
ciepła generowany przez szyb
ę
wskutek pochłoni
ę
cia cz
ęś
ci
promieniowania słonecznego jest przekazywany przez konwekcj
ę
i
promieniowanie niskotemperaturowe do wn
ę
trza i na zewn
ą
trz pomieszczenia;
odpowiedni dobór izolacyjno
ś
ci cieplnej szyb i całkowitego współczynnika
przepuszczalno
ś
ci całkowitego promieniowania słonecznego – g, umo
Ŝ
liwia
uzyskanie w warunkach klimatycznych srodkowo – zachodniej a nawet pół
nocnej Europy, dodatniego bilansu cieplnego okien w sezonie grzewczym ( to
jest z przewag
ą
zysków ciepła pochodz
ą
cych od promieniowania słonecznego
nad stratami przez przenikanie ); elewacje zorientowane na południe na
półkuli płnocnej
19. ró
Ŝ
nice w okre
ś
laniu zapotrzebowania na ciepło ( lub energi
ę
) metod
ą
bilansów
miesi
ę
cznych, a metod
ą
uproszczon
ą
metoda bilansowa miesi
ę
czna wykonanie kolejno miesi
ę
cznych bilansów
energii obejmuj
ą
ce:
•
miesi
ę
czne straty ciepła na ogrzewanie i wentylacj
ę
•
miesi
ę
czne zyski energii od promieniowania słonecznego i zyski wewn
ę
trzne
Metoda obejmuje 10 kolejnych kroków, w których obliczane s
ą
:
1. współczynnik strat ciepła przez przenikanie
2. współczynnik strat ciepła przez wentylacj
ę
3. miesi
ę
czne straty ciepła przez przenikanie i wentylacj
ę
4. miesi
ę
czne zyski ciepła od nasłonecznienia
5. miesi
ę
czne wewn
ę
trzne zyski ciepła
6. miesi
ę
czne zapotrzebowanie ciepła u
Ŝ
ytkowego do ogrzewania i wentylacji
7. roczne zapotrzebowanie energii u
Ŝ
ytkowej
8. roczne zapotrzebowanie energii ko
ń
cowej
9. roczne zapotrzebowanie energii pomocniczej
10. roczne zapotrzebowanie energii pierwotnej
metoda uproszczona ma zastosowanie dla budynków istniej
ą
cych nie
poddanych termomodernizacji, w których
ś
redni współczynnik przenikania
ciepła obudowy budynku jest wi
ę
kszy od 0,8 W / ( m
2
K ), wyposa
Ŝ
onych
w wentylacj
ę
naturaln
ą
. Metoda jest oparta na stopniogodzinach sezonu
grzewczego.
Metoda składa si
ę
z 6 prostych kroków:
1. współczynnik strat ciepła przez przenikanie
2. współczynnik strat ciepła przez wentylacj
ę
3. wewn
ę
trzne zyski ciepła w sezonie grzewczym
4. roczne zyski ciepła od nasłonecznienia
5. roczne zapotrzebowanie energii u
Ŝ
ytkowej do ogrzewania i wentylacji
6. roczne zapotrzebowanie energii pierwotnej