Az épületfizika tárgya. Az épületfizika tantárgy törzsanyagában szereplı témák

Átírás

1 Az épületfizika tárgya Az épületfizika tantárgy törzsanyagában szereplı témák A tárgyalt jelenségek zöme transzportfolyamat Lényege: valamilyen potenciálkülönbség miatt valami áramlik Az épületfizikában vizsgált transzportfolyamatok - hı hımérsékletkülönbség hatására - vízgız parciális nyomáskülönbség hatására - levegı nyomáskülönbség hatására A transzportfolyamatok vizsgálatának célja: az áramok pillanatnyi értékének meghatározása épületgépészeti rendszerek beépítendı teljesítménye az áramok integrálértékének meghatározása fogyasztás a potenciáleloszlások meghatározása állagvédelem a jó hıérzeti feltételek és belsı levegıminıség biztosítása Az építészeti és szerkezettervezés célja többek között a fogyasztás csökkentése az észszerőség határáig, az állagvédelem és a megfelelı komfort biztosítása. 1

2 v ilágitás 1% közlekedés 26% fızés, háztartás 8% melegv iz 11% fütés 54% A HAZAI LAKOSSÁGI ENERGIAFOGYASTÁS MEGOSZLÁSA A FÉNY, A HÖ, A NAPSUGÁRZÁS AZ ÉPÍTÉSZET ANYAGAI, AMELYEKET UGYANOLYAN GONDOSAN KELL TERVEZNI, MINT A BETONT VAGY AZ ACÉLT M. Papadopoulos EZEKNEK NEM A STÍLUST KELL BEFOLYÁSOLNIUK, NEM VALAMI HOZZÁTOLDOTT MÓDON KELL MEGJELENNIÜK, HANEM A LÉNYEGET KELL MEGHATÁROZNIUK. A. Tombazis Hıtranszport a határolószerkezetekben Sugárzást át nem bocsátó szerkezetek opaque szerkezetek (azért nem átlátszatlan, mert nemcsak a látható, hanem az infrasugárzás is szerepel) 2

3 Miért hıtranszport? mert többféle folyamat játszódik le - vezetés szilárd anyagban, nyugalomban lévı folyadékban, gázban azaz a határolószerkezet szilárd anyagú rétegeiben kis vastagságú vízszintes légrétegekben, iránytól függıen - átadás felület és áramló levegı között helyiség levegıje és belsı felület között ahol a levegı jellemzıen a hımérsékletkülönbség miatt mozog külsı levegı és külsı felület között ahol a szélhatás miatt még intenzívebb a légmozgás - sugárzás két olyan felület között, amelyek egymást látják belsı térhatárolás és külsı határolás belsı felületei között külsı felületek és talaj, burkolat, más épületek között külsı felületek és égbolt között külsı felületek és a Nap között belsı felületek és a Nap között transzparens szerkezeteken át Ezek a folyamatok gyakran keverednek, például egy felületen átadás és sugárzás, egy laza szálas hıszigetelésben vezetés és átadás, egy légrétegben vezetés, átadás és a szembenézı felületek között sugárzás További lehetséges forma: a levegı valahonnan valahová áramlik vagy hımérsékletkülönbség vagy kényszer (pl. szél, szellıztetı berendezés) hatására és az áramló levegı hıt is szállít - ez a konvektív transzport. Elıfordul légrétegben, laza szálas hıszigetelı anyagokban. Hıvezetés: az anyag jellemzıje Értelmezése: egységnyi élhosszúságú kocka, két szemközti felülete között egységnyi hımérsékletkülönbség A hıvezetési tényezı az idıegység alatt átjutó hı mennyisége Mértékegysége J = smk W mk Jele λ 3

4 A hıvezetési tényezı nagyságrendje: kis sőrőségő (15-2O kg/m 3 ) hıszigetelı anyagok: O,O35-O,O4O nagyobb sőrőségő hıszigetelı anyagok O,1-O,2 könnyő falazóelemek: O, 3-O,6 tégla O,6-O,9 könnyő beton (12OO-18OO kg/m 3 ) O,4-O,8 vasbeton 1,55 acél 58 aluminium 185 Tendencia: könnyebb anyag kisebb hıvezetési tényezı Izotróp anyag: a hıvezetési tényezı nem függ az iránytól Anizotróp anyag: a vezetés irányfüggı (fa) A hıvezetési tényezı nem állandó: függ az anyag nedvességtartalmától, esetleges roskadástól, tömörödéstıl (önsúly, más réteg, helyzete), hımérséklettıl. λ deklarált értéke: gyári új állapotban λ tervezési értéke: beépített állapotban, az elıbbi hatások alatt λ tervezési λ = deklarált ( 1+ κ) A különbség többször 1O % is lehet! Mi történik a szilvával, midın lekvár lesz belıle? És mi történik a hıszigeteléssel, ha sablonban szendvicspanel készül? A határolószerkezetek többnyire párhuzamos síklapokkal határoltak, amelyek hımérsékletei különböznek. A hıáram ezek síkjára merılegesen, egy irányban áramlik (egydimenziós). A hımérsékletek idıben állandóak, a hıáram stacioner. A hıáram egyenesen arányos a hımérsékletkülönbséggel és a hıvezetési tényezıvel, fordítottan a réteg vastagságával. Egységnyi homlokfelületre q = λ ( t1 t2) W / m d A réteg jellemzıje a vezetési ellenállás 2 d 2 R = m K / W λ Több réteg esetén az egyes rétegek ellenállásai összegezıdnek (az egyszerő Ohm törvény analógiájára) 4

5 A felület és a környezet közötti hıcserét a hıátadási tényezı jellemzi Jele α (h), mértékegysége W/m 2 K, a belsı oldalra i, a külsıre e indexek utalnak. A hıátadási tényezık reciprokai a felületi ellenállások: Ri, Re. Átadásra és sugárzásra együtt jellemzı értékek. A teljes ellenállás Rö = Ri + ΣRj + Re Ennek reciproka U = = j= n j= n R + i 1 j= 1 R + R j e 1 + α i j= 1 1 d j 1 + λ α j e a hıátbocsátási tényezı (k, U), mértékegysége W/m 2 K Jellemzı értékek: fal: O,4 - O,7 felsı zárófödém: O,1 - O,4 alsó zárófödém: O, 5 - O,9 ablak 1, 5-2,8 A hıátbocsátási tényezı ismeretében a hıáram számítható. Az épületbıl távozó összes hıáram (transzmissziós hıveszteség): Q = Σ Aj Uj (ti - te) A hıáram ismeretén túl állagvédelmi szempontból szükséges a keresztmetszetben kialakuló hımérsékleteloszlás ismerete is (páralecsapódás a belsı felületen, a kapillárisokban, a szerkezet belsejében, fagyhatár). A hımérsékleteloszlás 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 belsı és a külsı felületen is- Ugyanakkora áram áthajtásához annál nagyobb hımérsékletkülönbség kell, minél nagyobb az áramút adott szakaszának az ellenállása. Az egy szakaszra jutó hımérsékletkülönbség úgy aránylik a teljes (ti - te) hımérsékletkülönbséghez, ahogyan a szakasz ellenállása aránylik a teljes hıátbocsátási ellenálláshoz: Rj / Rö = tj / (ti - te) 5

6 A szakaszhatárokon a hımérsékletet tehát úgy állapítjuk meg, hogy a teljes hımérsékletkülönbséget a szakasz-ellenállások arányában felosztjuk. Tekintsük a belsı és a külsı hımérséklet tervezési értékeit: egyrétegő fal esetén különbségüket három részre kell osztani aszerint, hogy a két felületi ellenállás és a fal vezetési ellenállása hogyan aránylik az összes ellenálláshoz. Egy homogén anyagú rétegben a hımérsékleteloszlás egyenes mentén változik. A felületek mentén a hımérséklet a felülettel érintkezı igenvékony határrétegben változik. Részletek nélkül ezt csak egy ívvel jelezzük, ennek a felületet ábrázoló vonal az érintıje. A hımérsékleteloszlás vonalának meredeksége arányos a hıárammal amely -egységnyi homlokfelületre - a következı formában is felírható: λ t1 t = ( t1 t2) = λ d d q 2 Az utóbbi formában a képletben szereplı hányados az adott x - t koordinátarendszerben a vonal meredeksége. Idıben állandósult folyamat esetén egy rétegbıl annyi áram távozik, amennyi abba belép, az áram az x tengely mentén nem változik. Ezért, amíg λ nem változik (az anyag homogén), addig a vonal meredeksége sem változik homogén rétegben az eloszlás lineáris. A réteghatárokon λ változik, ezzel a meredekség is változik - de a szorzatí-azaz az áram - nem! 6

7 A hımérsékleteloszlás ismeretében a fagyhatár kijelölhetı. (Megjegyzendı, hogy a pórusokban -azok méretétıl függıen a H2O 0 o C-nál alacsonyabb hımérsékleten lesz szilárd halmazállapotú.) Elvileg nem változik a kép akkor sem, ha a szerkezet többrétegő. A kiinduló adatpár a belsı és a külsı hómérséklet tervezési értéke: A teljes hımérsékletkülönbséget felosztjuk az ellenállások arányában 7

8 A felületeken és a réteghatárokon jelöljük a t értékeket: A réteghatárokon kijelölt pontokat egy-egy rétegen belül egyenesekkel összekötjük - a szakaszok meredeksége azonnal mutatja, hol van hıszigetelı réteg: Jellemzı hımérsékleteloszlások: egyrétegő, külsı, belsı és közbensı hıszigetelés. A felületeknél a hımérsékletkülönbség annál kisebb, minél nagyobb a teljes szerkezet hıátbocsátási ellenállása 8

9 A valóságban idıben változó folyamatok szempontjából fontos, hogy a szerkezet mennyi hıt tárol - ez nagyban függ a rétegsorrendtıl! 9

10 Hıhidak - falsarok B30 falazat (tégla + gipszvakolat) λ B30 = 0.64 W/mK λ vak = 0.34 W/mK Ψ l = 0.15 W/mK t x (t e =-2 C)= 10.7 C t (t e =-2 C)= 14.2 C A vizsgált falszakasz hıvesztesége : 62.4w/m B30 falazat ( + 5cm expandált polisztirol) λ B30 = 0.64 W/mK λ vak = W/mK Ψ l = 0.19 W/mK t x (t e =-2 C)= 14.8 C t (t e =-2 C)= 17.3 C A vizsgált falszakasz hıvesztesége : 30.5w/m Hıhidak - falsarok B30 falazat ( + 5cm exp.pol kívül) λ B30 = 0.64 W/mK λ vak = W/mK Ψ = 0.19 W/mK t x (t e =-2 C)= 14.8 C t (t e =-2 C)= 17.3 C A vizsgált falszakasz hıvesztesége : 30.5w/m B30 falazat (tégla + gipszvakolat) λ B30 = 0.64 W/mK λ vak = W/mK Ψ = 0.05 W/mK t x (t e =-2 C)= 10.7 C t (t e =-2 C)= 14.2 C A vizsgált falszakasz hıvesztesége : 62.4w/m 10

11 Hıhidak vb födém(25cm), Porotherm NF30 A kőlsı fal meleg a padló hideg (Ψ=0.90) Hıhidak vb födém(25cm), Porotherm NF30 5cm exp. pol. Hıhid megszakítás. (Ψ =0.47) Hıhidak vb födém(25cm), Porotherm NF30 5cm exp. pol. Hıhid megszakítás. (Ψ =0.47) 5cm Padló hıszigetelés. (Ψ =0.45) 11

12 Hıhidak vb födém(25cm), Porotherm NF30 5cm exp. pol. Hıhid megszakítás. (Ψ =0.47) 5cm Padló hıszigetelés. (Ψ =0.19) 5cm Dryvite homlokzati hıszigetelés. (Ψ =0.18) Hıhidak ablakkeret helye a falban (P. NF30) Hıhidak ablakkeret helye a falban (P. NF30) 12

13 Hıhidak ablakkeret helye a falban (P. NF30) 13

14 Hıhidak Sajátléptékben mért hımérséklet tx te Θ x = t + t i e Θ x = Θ' x Hıhidak Vonalmenti hıátbocsátási tényezı Q = l Pszi( t t ) l l i e Definíció A hıhidak miatti többlet hıveszteség Vonatkozási felület Q = Qrtg + Qlj = AfalU rtg ( ti te) + l jpszilj ( ti te) j k = + U e rtg + j l Pszi ( t t ) j lj A i j e Épületszerkezeti elemek vonalmenti hıátbocsátási tényezıi ! !

15 Hıhidak Talajra fektetett padló Hıvesztesége az építmény kerületéhez köthetı, ezért ezt is vonalmenti hıátbocsátási tényezıvel jellemezzük, mely függ: A padló rétegrendjétıl, különös tekintettel a benne lévı hıszigetelés vastagságától A lábazat kialakításától, annak hıszigetelésétıl A geodetikus magasságkülönbségtıl Hıhidak Vasbetéttel áttört hıszigetelı réteg λsz (1 + κ) ASZ + λv A λr = A + A SZ V V A hıszigetelés hıvezetési tényezıjét módosítja A társított anyagok hıvezetési tényezıinek nagy a különbsége Példák: Vasbetettel áttört hıszigetelı réteg Szarufák között hıszigetelés Bordázott felület A számítási modell feltétele, hogy oldal irányú hıvezetés nincs Számítása a felülettel, vagy térfogattal súlyozott számtani közép 15