Czytaj także -

Aktualne wydanie

okladka SS-7-8 2018-do Internetu

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 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

 

25575923 

  

480x100px RFT18 engl

 

abs banner 480x120 English

 

glass2018 480x120  

 lisec SS FastLAne

 

20180817doe12 baner-480-100

 

Termowizja w ocenie komfortu cieplnego pomieszczeń przeszklonych zimą
Data dodania: 16.03.14

Obecny artykuł jest kontynuacją poprzednich, w których przedstawiane były możliwości wykorzystywania badań termowizyjnych w budownictwie. Omówione zostały krótko zagadnienia wymiany ciepła przez przegrody budowlane i zjawiska wymiany ciepła przez promieniowanie wewnątrz pomieszczeń.

W tej części uwidoczniony jest wpływ silnie przeszklonych budynków na komfort cieplny wewnątrz pomieszczeń zimą. Pokazane będzie, jaki wpływ na poprawę komfortu cieplnego może mieć zastosowanie przeszkleń i okien o bardzo wysokiej jakości oraz jak komfort ten może poprawić zastosowanie w oknach o słabszej izolacyjności cieplnej rolet, żaluzji wewnętrznych czy zasłon.

 

Wprowadzenie

W nowoczesnym budownictwie zwłaszcza biurowym, usługowym, niekiedy przemysłowym stosuje się znaczne powierzchnie przeszklone. Podobnie jest też w budownictwie mieszkaniowym, gdzie często stosuje się większe okna, są one odpowiednio usytuowane do stron świata, aby zwiększyć zyski ciepła od energii solarnej w bilansie energetycznym budynku. Obszary przeszklone ścian mają jednak przede wszystkim zadanie doprowadzenia światła dziennego do pomieszczeń.

Z reguły ich izolacja termiczna jest słabsza, gdyż opór cieplny okien jest znacznie mniejszy od ścian konstrukcyjnych. Znaczący udział w całkowitym bilansie strat ciepła ze standardowego budynku mają obszary przeszklone, pomimo iż stosuje się powszechnie okna z szybami zespolonymi o lepszej termoizolacyjności. Jednak współczynniki przenikania ciepła szyb zespolonych są i tak przeważnie 3-4 krotnie wyższe od współczynników przenikania ścian pełnych.

Dla profili przeszklenia, ram i futryn okiennych ta relacja jest jeszcze bardziej niekorzystna. Ma to bezpośredni wpływ na komfort cieplny pomieszczenia. W celu utrzymania odpowiedniego poziomu komfortu coraz częściej stosuje się jednak przeszklenia z powłokami refleksyjnymi i niskoemisyjnymi i z tzw. „ciepłą ramką” oraz ramy wielokomorowe.

 

Wymiana ciepła przez przegrody budowlane

Właściwości cieplne przegród budowlanych są określone różnymi parametrami cieplnymi. Wyznaczenie niektórych z tych parametrów następuje na drodze pomiarów laboratoryjnych, wykonywanych według ustalonych procedur (współczynnik przewodności cieplnej), a wartości innych (współczynnik przenikania ciepła) otrzymuje się na drodze obliczeniowej. Najczęściej stosowanym parametrem ilościowej oceny izolacyjności cieplnej przegród budowlanych jest współczynnik przenikania ciepła U.

Na etapie projektowania oblicza się wartość tego współczynnika, biorąc pod uwagę materiał przegrody, grubość poszczególnych warstw oraz rodzaj samej przegrody. Projektowe wartości współczynnika U osiągnąć można przy idealnej jakości produkcji materiałów budowlanych oraz założeniu idealnego wykonawstwa budowlanego.

W praktyce przepływ ciepła przez element budowlany najczęściej bywa wyznaczany miernikiem gęstości strumienia ciepła, a temperatura obydwu powierzchni i powietrza w sposób kontaktowy. Projekt normy EN12494 zaleca sprawdzenie równomierności rozkładu temperatury w badanym obszarze techniką termograficzną.

Według tej normy pomiar powinien być wykonany w stacjonarnych warunkach przepływu ciepła. Dla takich warunków zakłada się, że strumień ciepła jest stały w czasie. W ustalonych warunkach przepływu ciepła przy różnych wartościach temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz budynku (Ti > Te) wartości strumieni ciepła: napływającego na wewnętrzną powierzchnię, przewodzonego przez przegrodę oraz odpływającego od zewnętrznej przegrody są sobie równe qi = q = qe .

qi = hsi (Ti –Tsi )
q = λ/d ( Tsi –Tse )
qe = hse (Tse –Te )

gdzie:
q- gęstość strumienia ciepła,
Ti – temperatura powietrza po ciepłej stronie przegrody,
Te – temperatura powietrza po zimnej stronie przegrody,
Tsi – temperatura powierzchni przegrody wewnątrz pomieszczenia,
Tse – temperatura powierzchni przegrody na zewnątrz pomieszczenia,
hsi – współczynnik przejmowania (wnikania) ciepła po stronie wewnętrznej,
hse – współczynnik przejmowania (wnikania) ciepła po stronie zewnętrznej,
d – grubość przegrody,
λ – współczynnik przewodności cieplnej materiału przegrody.

 

Przyjmując ustalony przepływ ciepła przez przegrodę budowlaną można obliczyć wartość współczynnika przenikania ciepła U z wzorów (1-3).

2014-02-25-1

Różnica pomiędzy wzorami wynika stąd, że do określenia wartości U przyjęto znajomość współczynnika napływu (wnikania) ciepła, temperatury powietrza i powierzchni przegrody odpowiednio: po stronie wewnętrznej (wzór 1), po stronie zewnętrznej (wzór 2), po obu stronach przegrody (wzór 3).

Analiza termiczna przegrody budowlanej wykonana z wykorzystaniem podstawowego równania bilansu energii (ciepła) zakłada, że energia wnikająca w przegrodę zawiera dwa składniki: składnik konwekcyjny i radiacyjny. Całkowity strumień ciepła wnikającego (a zatem i przenikającego) przez przegrodę przyjmuje postać.

2014-02-26-2

gdzie:
q – jest całkowitym strumieniem ciepła wnikającego (przenikającego) przez przegrodę,
qk – jest strumieniem ciepła przekazywanego drogą konwekcyjną,
qr – jest strumieniem ciepła przekazywanego przez promieniowanie (radiację).

 

Wymiana ciepła wewnątrz pomieszczeń budynków ze szczególnym uwzględnieniem promieniowania.

 

Podstawowe formy transportu ciepła przez przegrody budowlane to: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Przewodzenie charakteryzuje współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/m K] materiału. Konwekcyjna wymiana ciepła zależy od przejmowania ciepła na powierzchniach przegrody i charakteryzuje się współczynnikami przejmowania ciepła przez konwekcję hc [W/m2K] oraz przez promieniowanie hr [W/m2K]. Wymiana ciepła przez promieniowanie charakteryzowana jest przez współczynnik emisyjności ε, zależny od materiału, rodzaju jego powierzchni, temperatury, długości fali oraz kąta padania promieniowania.

Strumień ciepła q przekazywany do otoczenia przez promieniowanie ma postać

2014-02-26-3

gdzie:
σ = 5,67· 10-8 W/ m2 ·K4 stała Stefana-Boltzmana
Tr – temperatura cieplejszej powierzchni
To – temperatura chłodniejszej powierzchni otoczenia
αr– radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła

 

2014-02-26-1m

Rys. 1. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia, widoczna różnica temperatury między ścianą osłonową i działową oraz powierzchniami przeszklonymi.

 

Można się zastanowić, czy promieniowanie wewnątrz budynku wpływa na wymianę ciepła przez przegrody do otoczenia po wewnętrznej stronie w pomieszczeniu? Można sądzić, że problem wymiany ciepła przez promieniowanie jest równie istotny na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku.

Ma to miejsce w szczególności w przypadku radiacyjnego oddziaływania przegrody budowlanej ze ścianami wewnętrznymi w budynku, których temperatura jest zwykle o kilka K wyższa (rys. 1). Coraz większa dostępność i dokładność kamer termograficznych pozwala badać zjawiska cieplne z wykorzystaniem tej metody pomiarowej.

Różnice temperatury pomiędzy powierzchnią przegrody budowlanej i otaczającego powietrza można wyznaczyć kamerą termowizyjną z pojedynczego termogramu, na którym zarejestrowany jest obraz powierzchni przegrody i obiektu przyjmującego temperaturę powietrza.

 

Projektowe a rzeczywiste właściwości cieplne przegród budowlanych

Temperatura ściany osłonowej (chłodzonej od zewnątrz) po stronie wewnętrznej Tw niekiedy jest nieco niższa od temperatury ścian działowych wewnątrz budynku, która jest równa temperaturze wewnętrznej w pomieszczeniu Tp. Radiacyjna wymiana ciepła pomiędzy ścianami wewnętrznymi, a ścianą zewnętrzną budynku musi uwzględniać współczynniki konfiguracji (kształtu), które określają, jaka część energii jednego obiektu dociera do drugiego i na odwrót. Moc promieniowania P, jaka dociera z wnętrza budynku do ściany chłodzonej wynika z bilansu energii i wynosi:

2014-02-27-2

gdzie :
F2-1, F1-2 – współczynniki konfiguracji
S2, S1 – pola powierzchni ścian wewnętrznych w pomieszczeniu i ściany zewnętrznej

 

Wartość radiacyjnego współczynnika ciepła na wewnętrznej krawędzi ściany zewnętrznej wynosi:

2014-02-27-3

przy czym Tśr jest średnią wartością temperatur Tp i Tw wyrażona w K.

 

Jeśli zmierzymy wartości temperatury przegrody po stronie wewnętrznej i ścian wewnątrz budynku i wynoszą one odpowiednio Tw = 17°C i Tp = 23°C to radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła wynosi αr = 5,14 W/(m2˙K).

Podobnie wygląda sytuacja, jeśli elementy ścian budynku od strony wewnętrznej (np. obszary przeszklone) mają temperaturę zdecydowanie niższą od pozostałych ścian wewnętrznych i temperatury panującej wewnątrz pomieszczenia. Wtedy radiacyjna wymiana ciepła następuje jeszcze intensywniej.

 

Przyczyny obniżonego komfortu cieplnego w pewnych obszarach pomieszczeń budynku

Analiza radiacyjnej wymiany ciepła w obszarach pomieszczeń wskazuje, że następuje oddziaływanie obiektów będących w otoczeniu człowieka i nie może być on traktowany jako wyizolowany. Temperatura odczuwalna jest definiowana jako jednolita temperatura pomieszczenia, w którym człowiek wymieni na drodze promieniowania i konwekcji taką samą ilość ciepła, jak w rzeczywistym, niejednolitym środowisku.

Obecność w pomieszczeniu powierzchni o znacznie niższej temperaturze (np. szyb o niskiej izolacyjności lub mostków cieplnych), czy ruch powietrza (np. w wyniku nieszczelności okien) powoduje zmniejszenie temperatury odczuwalnej w stosunku do temperatury powietrza. Temperatura odczuwalna (strumień ciepła tracony przez człowieka na drodze promieniowania) zależy od usytuowania człowieka względem powierzchni o obniżonej temperaturze.

Otoczenie oceniane jest przez człowieka pod względem termicznym w zależności od temperatury odczuwalnej, jego aktywności ruchowej lub jego braku, rodzaju ubrania (oporu cieplnego ubrania), prędkości względnej powietrza i wilgotności. A zatem, przykładowo, mimo utrzymywania w pomieszczeniu temperatury powietrza np. 20–22°C, przebywanie w pobliżu okna, którego temperatura od strony wewnętrznej wynosi np. 13- 14°C powoduje, że odczuwane jest niepożądane oziębienie części lub całego ciała.

Nie należy więc oczekiwać spełnienia warunków komfortu cieplnego w pobliżu przeszkleń o wysokim współczynniku przenikania ciepła w miesiącach zimowych, mimo zapewnienia dość wysokiej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Lokalizacja miejsc pracy w pobliżu okien lub fasad szklanych powinna być wystarczającą przesłanką do zastosowania szyb zespolonych o współczynniku przenikania mniejszym od 1,1 W/ (m2˙K). Pomiary termowizyjne pozwalają wykryć te „zimne powierzchnie”, które są przyczyną pogorszenia komfortu cieplnego (rys. 2).

 

2014-02-26-4

Rys. 2. Obrazy termalne na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia biurowego, widoczne niższe temperatury na stanowiskach pracy w pobliżu „ zimnych powierzchni” przeszklonych oraz odbite promieniowanie cieplne od pracowników widoczne na przeszkleniu

 

Badania komfortu cieplnego w obszarach przeszklonych pomieszczeń budynku metodą termowizyjną

Komfort cieplny pomieszczeń jest zależny nie tylko od temperatury panującej w ich wnętrzu, lecz również jest kompleksowo powiązany z temperaturami występującymi na wewnętrznej powierzchni przegród budowlanych zewnętrznych i wewnętrznych budynku. Na stabilność temperatury duży wpływ wywiera pojemność cieplna przegród, zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych. Poniżej przedstawiono termogramy uzyskane podczas typowych badań termowizyjnych we wnętrzach budynków w pomieszczeniach biurowych, mieszkalnych i przemysłowych.

 

2014-02-27-1

Rys. 3. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia biurowego, widoczna różnica temperatury między powierzchniami przeszklonymi a ścianą oraz między podłogą a meblami i urządzeniami służącymi do pracy (biurko, komputer).

 

2014-02-28-1

Rys. 4. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczenia mieszkalnego, widoczna różnica temperatury między powierzchniami przeszklonymi a ścianami oraz meblami i innymi sprzętami.

 

Na obrazach termalnych wewnętrznych powierzchni pomieszczeń biurowych i mieszkalnych (rys.3, 4) niższe temperatury stwierdzono w obszarach przeszklonych oraz produkcyjnych i magazynowych (rys. 5). Pokazuje to zróżnicowanie temperatur w różnych obszarach tych pomieszczeń.

 

2014-02-28-2

Rys. 5. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczeń produkcyjnych i magazynowych, widoczne nieznaczne różnice temperatury jednak na znacznych powierzchniach ścian zewnętrznych.

 

Widoczne różnice temperatur w pomieszczeniu miedzy oknami i ścianami osłonowymi dla pakietów 2-szybowych i brak takiej różnicy w pokoju z oknami z 3-szybowym pakietem rys. 6.

 

2014-02-28-4

Rys. 6. Porównanie obrazów termalnych od wnętrza pomieszczenia z oknami z pakietem 2-szybowym o średnim współczynniku U i okna z pakietem 3-szybowym o bardzo dobrym współczynniku U.

 

Duże powierzchnie przeszklone o nienajlepszej izolacyjności cieplnej nawet od strony południowej, w zimie, wieczorem i w nocy obniżają temperaturę w pomieszczeniu, mniejsze powierzchnie przeszklone o jeszcze słabszej izolacyjności nie są jednak w stanie tak wychłodzić łazienki (rys. 7).

 

2014-02-28-3

Rys. 7. Rozkłady temperatury na powierzchniach wewnętrznych pomieszczeń mieszkalnych: z lewej widoczna znaczna powierzchnia przeszklona powoduje obniżenie temperatury w salonie, z prawej łazienka z niewielkim oknem o niskiej temperaturze nie obniża temperatury wewnątrz pomieszczenia.

 

Generalnie, aby poprawić komfort cieplny pomieszczeń eliminując straty przez promieniowanie, należy zastosować okna wysokiej jakości o niskim współczynniku przenikania ciepła, jeśli chodzi o przeszklenia oraz ramy okienne (rys. 6, 8).

 

2014-02-29-1

Rys. 8. Porównanie rozkładów temperatury od wnętrza pomieszczenia okna starej konstrukcji tzw. skrzynkowego z nowoczesnym oknem z szyba zespoloną

 

Mniej skutecznym, jednak efektywnym sposobem, za to znacznie tańszym, jest zastosowanie w gorszych oknach starszej konstrukcji rolet i żaluzji wewnętrznych a nawet zwykłych zasłon, zwłaszcza nocą, które będą miały wyższą temperaturę i poprawią komfort cieplny pomieszczeń (rys. 9).

 

2014-02-29-2

Rys. 9. Porównanie obrazów termalnych od wnętrza pomieszczenia okien odsłoniętych oraz okien, w których spuszczono żaluzje wewnętrzne czy zasłonięte są firany

 

Podsumowanie

W rzeczywistych przegrodach budowlanych najczęściej występuje wymiana ciepła przez przewodzenie, a w przypadku przegród szklanych – przez przewodzenie i przez promieniowanie. Konwekcja ma większe znaczenie przy wymianie ciepła pomiędzy ciałem stałym i środowiskiem gazowym, zwłaszcza, gdy występuje cyrkulacja powietrza. Ponieważ w wymianie ciepła biorą udział wszystkie jej rodzaje, stosuje się tzw. współczynnik przenikania, który można wyznaczyć z pomiarów temperatury po wewnętrznej i zewnętrznej stronie oraz gęstości strumienia cieplnego przepływającego przez przegrody. Szczególnym rodzajem przegród budowlanych są okna i fasady szklane. Izolacyjność cieplna przeszkleń jest znacznie gorsza od ścian, co powoduje, że nawet mniejsza ich powierzchnia jest przyczyną znacznych strat ciepła porównywalnych ze stratami przez ściany. Stąd starania o maksymalne polepszenie własności termoizolacyjnych okien. Charakteryzuje je współczynnik przenikania ciepła U. Poprawę (obniżenie) jego wartości można uzyskać przez:

  • stosowanie szyb zespolonych zamiast szyb pojedynczych lub tradycyjnych-skrzynkowych,
  • odpowiedni dobór szkła z powłokami niskoemisyjnymi miękkimi lub twardymi,
  • gaz w przestrzeni międzyszybowej zamiast powietrza (standardem jest tutaj argon, można też stosować krypton i ksenon),
  • stosowanie optymalnej szerokości przestrzeni międzyszybowej dla wypełnienia argonem (przyjęto 16 mm) efekt obserwuje się do około 22-24 mm, przy większej szerokości ramki występuje pogorszenie parametrów izolacyjnych szyby ze względu na możliwość występowania konwekcji w przestrzeni międzyszybowej.

Badania termowizyjne są bardzo przydatne w rejestracji i analizie zjawisk cieplnych występujących na wewnętrznej powierzchni ścian osłonowych (zwłaszcza obszarów przeszklonych). Pozwalają one wykryć obszary nadmiernie niskich temperatur zimą i próbować je wyeliminować oraz odpowiednio usytuować stanowiska pracy czy strefy przebywania ludzi. Pomagają one także przeanalizować zjawiska komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych oraz poprawić jego jakość.

 

(...)

 

Literatura:

[1] B. Więcek, G. De Mey, Termowizja w podczerwieni podstawy i zastosowania. Wyd. PAK Warszawa 2011.
[2] A .Wróbel, Termografia w pomiarach inwentaryzacyjnych obiektów budowlanych. Wyd. AGH Kraków 2010.
[3] A. Wróbel, Ilościowe określanie cieplnych własności przegród budowlanych z wykorzystaniem techniki termograficznej. Wyd. AGH Kraków 2011.

 

mgr inż. Józef Osiadły
Firma Inżynieryjno-Techniczno-Badawcza „DIAGNOTERM” Kraków

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i >elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacj: Świat Szkła 02/2014

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik