Aktualne wydanie

SS-10-2018 okladka

20180813-BANNER-160X600-V1-PL-GLASSTECEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 konferencja 2018 banner

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 RODO

 

konferencja 2018 banner

  

glass2018 480x120  

 lisec SS FastLAne

 

20180817doe12 baner-480-100

 

 

 

Chłodzenie radiacyjne przegród budowlanych
Data dodania: 05.08.10

Chłodzenie radiacyjne jest powszechnym, lecz często niedocenianym zjawiskiem, które w pewnych warunkach prowadzi do nadzwyczajnych strat ciepła przez zewnętrzne przegrody budowlane, również szklane.



Zjawisko to polega na tym, że w nocy przy bezchmurnym niebie na powierzchniach usytuowanych poziomo i ukośnie temperatura może spadać poniżej temperatury powietrza zewnętrznego. Efekt ten dotyczy zarówno powierzchni Ziemi (nocne przygruntowe przymrozki), jak również zewnętrznych przegród budowlanych, nawet w przypadku przegród pomieszczeń ogrzewanych.



Chłodzenie radiacyjne uwidacznia się również na samochodach pozostawionych na parkingu, kiedy zauważamy, że dach oraz przednia i tylna szyba są oszronione, a szyby boczne są czyste.

 

Przyczyny chłodzenia radiacyjnego przegród budowlanych
Przyczyną chłodzenia radiacyjnego jest sposób wymiany promieniowania podczerwonego pomiędzy atmosferą a powierzchniami stykającymi się z nią. Decydującym czynnikiem jest tutaj istnienie tzw. okna atmosferycznego w podczerwieni.



Z rys. 1 wynika, że dla przedziału długości fali λ = 8 ÷14 μm transmisyjność (przepuszczalność) atmosfery jest bardzo duża.

Z drugiej strony z prawa Plancka wynika, że właśnie w tym przedziale emisja wtórnego promieniowania powierzchni Ziemi, przegród budowlanych, nawierzchni drogowych itp., osiąga wartości maksymalne (rys. 2). Z tych powodów, przy braku zachmurzenia, duża część wtórnego promieniowania podczerwonego może bez przeszkód być wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną.

Ucieczka promieniowania długofalowego powoduje, że w nocy, szczególnie przy braku zachmurzenia obserwuje się efekt „zimnego nieba”. Zjawisko to objawia się tym, że tzw. temperatura kalorymetryczna promieniowania nieboskłonu tr [°C] jest niższa niż temperatura powietrza zewnętrznego te [°C]. Różnica ta, przy bezchmurnym niebie, może dochodzić w warunkach zimowych do 20oC. Literatura podaje odpowiednie zależności empiryczne.



Według [1]:

tr = (te – 2l) + 0,2. te    (1)

W opracowaniu [2], na podstawie przeprowadzonych badań, sformułowano wzory uzależniające tr od takich czynników, jak wilgotność powietrza, kąt zenitalny itp. Dla warunków średnich podano:

tr = 1,33. te – 19,04    (2)

Podręcznik [3] podaje wzór na temperaturę nieboskłonu Tr w stopniach Kelwina:

  (3)
gdzie:
Te – temperatura powietrza w stopniach Kelwina, K,
pw – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, mm Hg.

  


Rys. 1. Transmisyjność atmosfery ziemskiej w funkcji długości fali promieniowania podczerwonego [1]

  


Rys. 2. Krzywe Plancka dla emiterów o temperaturze 0°C, 15°C, 30°C


Chłodzenie radiacyjne jest mniejsze w przypadku przegród usytuowanych pionowo, ponieważ przegrody te wymieniają przez promieniowanie mniej ciepła z atmosferą oraz uzyskują zyski ciepła od gruntu i budynków sąsiednich. Należy podkreślić, że zachmurzenie znacznie zmniejsza transmisyjność atmosfery i osłabia efekt nocnego oziębienia powierzchni. Mając na uwadze opisane zjawiska, do obliczeń gęstości strumienia przepływającego przez przegrody budowlane w nocy, w opracowaniu [1] proponuje się, zamiast temperatury powietrza zewnętrznego te, przyjmować miarodajną temperaturę te + Δt.

Poprawka Δt (zawsze ujemna) wynosi:

    (4)
gdzie:
Θe – temperatura zewnętrznej powierzchni przegrody w stopniach Kelwina, K,
hc – współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję, W/(m2K),
ε – emisyjność zewnętrznej powierzchni przegrody.

Podano również wzór na temperaturę zewnętrznej
powierzchni przegrody:

    (5)

gdzie:
ϑe – temperatura zewnętrznej powierzchni przegrody, °C,
te – temperatura wewnątrz budynku, °C,
hr – współczynnik przejmowania ciepła przez promieniowanie, W/(m2K),
Rp – opór cieplny przegrody budowlanej, bez oporu przejmowania ciepła powierzchni zewnętrznej,
(m2K)/W.



Z dokładniejszej analizy wzorów (4, 5) wynika, że bezwzględna wartość temperatury Δt rośnie wraz ze wzrostem kąta odchylenia przegrody od pionu oraz spadkiem temperatury te, prędkości wiatru vp, i oporu cieplnego przegrody Rp. W przypadku gdy te = -20 °C, vp = 0, Rp = 0,5 (m2K)/W, Δt wynosi, przy bezchmurnym niebie, około -15 °C. Równocześnie można zauważyć, że temperatura na powierzchni ϑe maleje ze wzrostem Rp. W [1] podano średnioroczne Δt wynikające z badań instrumentalnych
(tab. 1).

Badania termowizyjne chłodzenia radiacyjnego
Na rys. 3 i 4 przedstawiono przykłady zdjęć termowizyjnych ilustrujących omówione wcześniej zjawiska [4, 5]. Zdjęcie z rys. 3 wykonano w nocy, przy bezchmurnym niebie, w okresie wiosennym.
Wyraźnie widać chłodzenie radiacyjne pochyłych połaci dachowych na budynku mieszkalnym.

Zdjęcie z rys. 4 przedstawia pionowe ściany i połać dachową szklarni. Zdjęcie wykonano w nocy, przy bezchmurnym niebie, latem. Tutaj uwidoczniono również inne zjawisko. W celach porównawczych, na połaci dachowej dwie z szyb pojedynczych wymieniono na szyby zespolone (ciemniejsze prostokąty na zdjęciu). Można zauważyć, że chłodzenie radiacyjne jest większe przy lepszej izolacyjności cieplnej przegrody, co jest zgodne z zależnością (5) oraz z innymi zależnościami fizyki budowli.

 

Tabela 1. Średnioroczne poprawki Δt do nocnej temperatury powietrza zewnętrznego te [°C] [1]

 

Rys. 3. Chłodzenie radiacyjne na połaci dachowej budynku mieszkalnego

Rys. 4. Chłodzenie radiacyjne na połaci dachowej szklarni



Badania chłodzenia radiacyjnego czujnikami temperaturowymi
Na rys. 5 przedstawiono przykładowe wykresy badania rozkładu temperatur zmierzonych w nocy na powierzchniach szyb zespolonych z szybami zwykłymi oraz z wewnętrzna szybą niskoemisyjną i refleksyjną (przeciwsłoneczną). Szyby były usytuowane ukośnie na połaci dachowej szklarni, pod kątem 36,7o do poziomu. W przypadku powierzchni wewnątrzkomorowych czujniki temperaturowe zostały przyklejone do wewnętrznych powierzchni szyb przed ich zamontowaniem w wytwórni.

Z analizy wykresów wynika, że w przypadku bezchmurnego nieba chłodzenie radiacyjne spowodowało spadek temperatury na zewnętrznej powierzchni szyb poniżej temperatury powietrza. Spadek ten był największy w przypadku zestawu z szybą niskoemisyjną (o zwiększonej izolacyjności cieplnej). Potwierdzony został wniosek, że dochodzi do pewnego rodzaju sprzężenia zwrotnego – przegrody o lepszej izolacyjności cieplnej są bardziej narażone na radiacyjne straty ciepła.

W czasie zachmurzenia temperatury na zewnętrznych powierzchniach szyb były co prawda wyższe od temperatury powietrza, jednak dokładniejsze obliczenia wykazały, że są one niższe niż wynika to z klasycznej teorii przepływu ciepła.

Rys. 5. Rozkład temperatur w badanych szybach zespolonych: a) podczas pogodnej nocy, b) podczas pochmurnej nocy

Rys. 6. Rozkład temperatur na powierzchniach oszklenia tradycyjnego i ciepłochronnego

Rys. 7. Kondensacja pary wodnej na powierzchni szyby ciepłochronnej od strony powietrza zewnętrznego

Praktyczne skutki chłodzenia radiacyjnego szyb zespolonych
Przy eksploatacji okien z oszkleniem tradycyjnym (np. okna skrzynkowe, ościeżnicowe) poważnym problemem jest kondensacja pary wodnej na wewnętrznej części oszklenia. W skrajnych przypadkach, przy szczególnie niskich temperaturach, możliwe jest nawet zamarzanie kondensatu na powierzchniach od strony pomieszczenia.



Użytkownicy, którzy wymienili takie oszklenie na szyby ciepłochronne mogą zaobserwować zjawisko odwrotne - para wodna może kondensować również na zewnętrznej powierzchni oszklenia. W szczególnie niekorzystnych warunkach może wystąpić przyklejanie się do powierzchni zewnętrznej oszklenia padającego śniegu lub zamarzanie kondensatu (rys. 8). Zjawiska te mają przyczyny wynikające z rozkładu temperatur na powierzchniach oszklenia.



Ich nasilenie ma miejsce np. nad ranem, w warunkach zmniejszenia skuteczności ogrzewania, przy dużej wilgotności powietrza zewnętrznego lub w warunkach chłodzenia radiacyjnego (rys. 6). Zjawisko częściej obserwowane jest w dolnej części okna, na co ma wpływ pionowy rozkład temperatur w pomieszczeniu (rys. 7).

Należy również zwrócić uwagę, że jeżeli na powierzchni przegrody występuje wykraplanie pary wodnej, maleje opór przejmowania ciepła powierzchni przegrody, na skutek występowania ciepła kondensacji.



Na rys. 9 przedstawiono przykład kondensacji na szybach zewnętrznych szklanej elewacji, która częściowo stanowi przegrodę przeźroczystą, a częściowo przykrywa elementy konstrukcyjne i jest w tych miejscach dodatkowo docieplona wełną mineralną.


Fotografia została wykonana w godzinach porannych w okresie grzewczym. Należy tutaj zwrócić uwagę na dwa aspekty: po pierwsze kondensat widoczny jest tylko na panelach docieplonych, po drugie kondensat zbiera się w środkowej części paneli (inaczej niż w przypadku kondensacji od strony pomieszczenia, gdzie kondensat zbiera się przeważnie w pobliżu obrzeży), co świadczy o wyższej temperaturze, tzn. gorszej izolacyjności cieplnej w obrębie złączy.

Jest to następny przykład sprzężenia zwrotnego na szklanych przegrodach budowlanych – kondensacja na powierzchniach zewnętrznych nie występuje na mostkach termicznych.

 

dr inż. Zbigniew Respondek
Politechnika Częstochowska,
Wydział Budownictwa

Literatura
- A Building and Its Phisical Environment. Red.: L. Śliwowski. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej 1992.
- Nowak H.: Oddziaływanie cieplnego promieniowania środowiska zewnętrznego na budynek. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 1999.
- Pogorzelski J.A.: Fizyka cieplna budowli. PWN, Warszawa 1976.
- Rajczyk J., Respondek Z., Rajczyk Z.: Chłodzenie radiacyjne przegród budowlanych i nawierzchni drogowych. Międzynarodowa Konferencja Naukowotechniczna nt. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Częstochowa 2005.
- Respondek Z.: Sprzężone gazowo płyty szklane w budownictwie. Sposoby badań i obliczeń. Seria Monografie nr 151. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008.

 

Rys. 8. Woda deszczowa zamarznięta na zewnętrznej powierzchni okna

Rys. 9. Kondensacja na zewnętrznej powierzchni szklanej fasady

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

patrz też:

. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 1, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 10/2007
. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 2, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 11/2007
. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 3, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 12/2007
. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 4, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 1/2008
. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 5, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 2/2008
. Parametry techniczne nowoczesnych przegród szklanych. Część 6, Zbigniew Respondek, Świat Szkła 3/2008

 

oraz:

- Przepływ energii promieniowania przez warstwowe zestawy szyb , Zbigniew Respondek, Świat Szkla 6/2005 

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 2, Zbigniew Respondek, Świat Szkla 1/2005

- Modelowanie obciążeń klimatycznych szyb zespolonych. Część 1, Zbigniew Respondek, Świat Szkla 12/2004 

 

więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2010

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

 

 

01 chik
01 chik