Newsletter

Login Form



Aktualne wydanie

Okladka 01-2018

20180123-BANNER-160X600-V1-PL-FENSTERBAUEDG 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

 

 

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

 

FF18 750x150px PL NEUGIERIG

 

   swiat szkla 750x100 2

 

lisec SS FastLAne

  

ERD480x100-en 

Ankieta

Czy montują Państwo lustra u klienta za pomocą kleju silikonowego?
 
Czy uważają Państwo, że klej do luster LAKMA jest lepszy od innych klejów dostępnych na rynku?
 
Czy stosują Państwo klej do luster firmy LAKMA?
 
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