Free Press

Pomimo że główny nacisk na ekologiczność budynków kładzie się obecnie na zużycie węgla, nadal istnieje potrzeba rozważenia charakterystyki termicznej tkanki budowlanej jako czynnika przyczyniającego się do tego. Wydajność cieplna jest mierzona w kategoriach utraty ciepła i jest powszechnie wyrażana w przemyśle budowlanym jako wartość U lub R. Obliczenia wartości U będą niezmiennie wymagane przy ustalaniu strategii budowlanych. Wiele z tych terminów ma subtelnie podobne znaczenie, a w Internecie można znaleźć sprzeczne interpretacje. Różne terminologie i ich wzajemne relacje zostały wyjaśnione w tym artykule.

Wartość U, lub współczynnik przenikania ciepła (odwrotność współczynnika R)

Przepuszczalność cieplna, znana również jako współczynnik U, jest szybkością przekazywania ciepła przez strukturę (która może być pojedynczym materiałem lub kompozytem), podzieloną przez różnicę temperatur w tej strukturze. Jednostką miary jest W/m²K. Im lepiej zaizolowana jest konstrukcja, tym niższa będzie wartość współczynnika U. Standardy wykonania i instalacji mogą mieć duży wpływ na współczynnik przenikania ciepła. Jeśli izolacja jest źle zamontowana, z przerwami i mostkami termicznymi, wówczas współczynnik przenikania ciepła może być znacznie wyższy niż pożądany. Współczynnik przenikania ciepła uwzględnia straty ciepła spowodowane przewodzeniem, konwekcją i promieniowaniem.

Obliczanie współczynnika U

Podstawowe obliczenie współczynnika U jest stosunkowo proste. Zasadniczo wartość U można obliczyć poprzez znalezienie odwrotności sumy oporów cieplnych każdego materiału składającego się na dany element budynku. Należy pamiętać, że oprócz oporów materiałowych, wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie mają również opory, które należy dodać. Są to wartości stałe.

Istnieje wiele norm, które obejmują metody obliczania współczynnika przenikania ciepła. Są one wymienione w sekcji „Przydatne linki i odniesienia” na końcu tego artykułu.

Proste obliczenia wartości U można wykonać w następujący sposób, rozpatrując konstrukcję elementu budowlanego warstwa po warstwie. Należy jednak pamiętać, że nie uwzględnia to mostków cieplnych (np. przez opaski ścienne), szczelin powietrznych wokół izolacji lub różnych właściwości termicznych np. spoin zaprawy. W tym przykładzie rozważa się ścianę szczelinową:

Materiał	Grubość	Przewodność (k-wartość)	Odporność = Grubość ÷ przewodność (wartość R)
Powierzchnia zewnętrzna	–	–	0.040 K m²/W
Cegła gliniana	0,100 m	0,77 W/m⋅K	0,130 K m²/W
Wełna szklana	0.100 m	0,04 W/m⋅K	2,500 K m²/W
Bloczki betonowe	0.100 m	1,13 W/m⋅K	0,090 K m²/W
Tynk	0,013 m	0,50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Wewnętrzna powierzchnia	–	–	0,130 K m²/W
Total			2.916 K m²/W
Wartość U =		1 ÷ 2,916 =	0,343 W/m²K

Zauważ, że w powyższym przykładzie przewodności (k-wartości) materiałów budowlanych są swobodnie dostępne online; w szczególności od producentów. W rzeczywistości korzystanie z danych producenta poprawi dokładność, jeśli konkretne produkty są znane w czasie obliczeń. Chociaż możliwe jest uwzględnienie spoin zaprawy w powyższych obliczeniach, poprzez ocenę % powierzchni zaprawy w stosunku do posadowionego na niej muru, należy pamiętać, że jest to prymitywna technika w porównaniu z bardziej solidną metodą przedstawioną w normie BS EN ISO 6946I.

Pomiar wartości U

O ile obliczenia projektowe są teoretyczne, można również przeprowadzić pomiary po zakończeniu budowy. Mają one tę zaletę, że mogą uwzględniać jakość wykonania. Obliczenia współczynnika przenikania ciepła dla dachów lub ścian można przeprowadzić przy użyciu miernika strumienia ciepła. Składa się on z czujnika termopilowego, który jest trwale przymocowany do badanego obszaru, aby monitorować przepływ ciepła z wewnątrz na zewnątrz. Współczynnik przenikalności cieplnej uzyskuje się dzieląc średni strumień ciepła (przepływ) przez średnią różnicę temperatur (między wnętrzem a zewnętrzem) w ciągłym okresie około 2 tygodni (lub ponad rok w przypadku płyty fundamentowej, ze względu na magazynowanie ciepła w gruncie).

Dokładność pomiarów jest zależna od wielu czynników:

• Magnitudy różnicy temperatur (większa = dokładniejsza)
• Warunków pogodowych (pochmurno jest lepsze niż słonecznie)
• Dobrej przyczepności termopali do powierzchni testowej
• Czasu trwania monitoringu (dłuższy czas umożliwia uzyskanie dokładniejszej średniej)
• Większa liczba punktów testowych umożliwia uzyskanie większej dokładności, w celu ograniczenia anomalii

Dwa czynniki komplikujące, które mogą wpływać na właściwości przenikalności cieplnej materiałów obejmują:

• Temperaturę otoczenia, ze względu na ciepło utajone między innymi czynnikami
• Wpływ prądów konwekcyjnych (zwiększona konwekcja przyczynia się do przepływu ciepła)

Kalkulatory wartości U

Ponieważ obliczanie wartości U może być czasochłonne i skomplikowane (szczególnie tam, gdzie na przykład należy uwzględnić mostki cieplne), wydano wiele kalkulatorów wartości U dostępnych online. Jednak wiele z nich jest dostępnych tylko w ramach abonamentu, a te, które są darmowe, są zazwyczaj zbyt uproszczone. Inną opcją jest zlecenie obliczeń np. producentowi izolacji, którego produkt jest specyfikowany.

Building Regulations Approved Documents L1A, L2A, L1B i L2B w Anglii i Walii odnoszą się do publikacji BR 443 Conventions for U-value calculationsII dla zatwierdzonych metodologii obliczeniowych, podczas gdy towarzyszący dokument U-value conventions in practice. Przykłady praktyczne z wykorzystaniem BR 443III zawiera użyteczne wskazówki.

Wartość R lub izolacyjność cieplna (odwrotność wartości U)

Intensywność cieplna jest odwrotnością przenikalności cieplnej; innymi słowy, zdolność materiału do opierania się przepływowi ciepła. Wartości R są częściej stosowane w niektórych częściach świata (na przykład w Australazji), w przeciwieństwie do preferencji Wielkiej Brytanii dla wartości U. Jednostkami miary dla współczynnika przenikania ciepła są m²K/W i, ponownie, wyższa wartość wskazuje na lepszą wydajność (w przeciwieństwie do niższej wartości pożądanej dla współczynnika U).

k-wartość, lub przewodność cieplna (znana również jako wartość lambda lub λ; odwrotność oporności cieplnej)

Przewodność cieplna jest zdolnością materiału do przewodzenia ciepła. W związku z tym, wysoka przewodność cieplna oznacza, że wymiana ciepła przez materiał będzie zachodziła z większą szybkością; należy pamiętać, że jest to również zależne od temperatury. Jednostką przewodności cieplnej jest W/m⋅K. Jednak w przeciwieństwie do wartości U i R, wartości k nie zależą od grubości danego materiału.

Wartość Y, lub admitancja termiczna, lub współczynnik przenikania ciepła

Zdolność materiału do pochłaniania i oddawania ciepła z przestrzeni wewnętrznej, w miarę zmian temperatury tej przestrzeni, jest określana mianem admitancji termicznej (lub współczynnika przenikania ciepła) i jest zdefiniowana w normie BS EN ISO 13786:2007 Cieplne właściwości użytkowe komponentów budowlanychIV. Stanowi on również podstawę „modelu dynamicznego” w Przewodniku CIBSE A: Projektowanie środowiskoweV, który jest stosowany do obliczania obciążeń chłodniczych i temperatur pomieszczeń w okresie letnim. Im wyższa jest admitancja termiczna, tym wyższa będzie masa termiczna. Współczynnik przenikania ciepła jest podobny do współczynnika przenikania ciepła (i wykorzystuje te same jednostki miary). Jednakże mierzy on zdolność materiału do magazynowania ciepła, tj. zdolność materiału do magazynowania i oddawania ciepła przez pewien okres czasu, zazwyczaj przez 24 godziny. Podobnie jak w przypadku współczynnika przenikania ciepła, jednostkami miary są W/m²K.

Należy pamiętać, że współczynnika przenikania ciepła „wartość Y” nie należy mylić ze współczynnikiem mostków cieplnych „wartość y”, który jest zdefiniowany w Załączniku K Standardowej Procedury Oceny (SAP) jako pochodna liniowego współczynnika przenikania ciepła.

Wartość Psi (Ψ) lub liniowy współczynnik przenikania ciepła

Miarą utraty ciepła z powodu mostka termicznego jest liniowy współczynnik przenikania ciepła (w przeciwieństwie do „powierzchniowego” współczynnika przenikania ciepła, który jest inaczej nazywany wartością U), a jednostkami miary są, ponownie, W/m²K. Wartości Psi są używane do generowania wartości y (współczynnik mostków cieplnych) w Załączniku K do Standardowej Procedury Oceny.

Oporność cieplna (odwrotność przewodności cieplnej)

Oporność cieplna to zdolność materiału do przeciwstawiania się przewodzeniu ciepła przez niego. Podobnie jak wartość k, właściwość ta nie zależy od grubości danego materiału. Jednostkami oporności cieplnej są K⋅m/W.

Konduktancja cieplna (odwrotność oporu cieplnego)

Odnosi się do ilości ciepła przewodzonego przez materiał o danej objętości, w jednostce czasu, tj. szybkości przewodzenia. Jednostką miary jest W/K.

Oporność cieplna (odwrotność przewodności cieplnej)

Jest to miara odporności materiału na przewodzenie ciepła i jest mierzona w K/W. Podobnie jak w przypadku przewodności cieplnej, jest to miara szybkości transferu dla danej objętości.

Masa termiczna

Do tej pory w dużej mierze ignorowana w brytyjskim przemyśle budowlanym, masa termiczna (w przeciwieństwie do admitancji termicznej) jest uzyskiwana z pojemności cieplnej właściwej (zdolność materiału do przechowywania ciepła w stosunku do jego masy), gęstości i przewodności cieplnej (jak łatwo ciepło może przemieszczać się przez materiał). Przewodność cieplna jest wykorzystywana przez SAP 2009 w postaci wartości „k” (lub kappa) do obliczania parametru masy termicznej (TMP). Wartość „k” to pojemność cieplna na jednostkę powierzchni „termicznie aktywnej” części elementu konstrukcyjnego (tylko pierwsze około 50 mm grubości elementu ma rzeczywisty wpływ na masę termiczną, ponieważ zmniejsza się ona wraz ze wzrostem głębokości elementu; powyżej 100 mm wpływ ten jest pomijalny). Należy zauważyć, że wartość „k” jest przybliżona, ponieważ przyjmuje się założenia dotyczące zakresu termicznie aktywnych objętości materiału; ponadto pomija ona wpływ przewodności cieplnej przy obliczaniu czasu, w którym ciepło jest pochłaniane i emitowane z materiału. Norma BS EN ISO 13786VI zapewnia bardziej efektywną metodę określania masy termicznej. Masa termiczna nie powinna być mylona z izolacją.

Znaczenie masy termicznej jest nie do przecenienia, co ilustrują poniższe przykłady:

Zabudowa ścian	U-.wartość	Przystępność cieplna	Masa cieplna
200mm cegła 13mm „mokry” tynk	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm cegła 150mm pustka wypełniona wełną mineralną 100mm bloczek gazobetonowy 13mm płyta gipsowo-kartonowa drylining na 10mm płytach	0.19 W/m²K	1.86 W/m²K	9 kJ/m²K

Uwaga, jak słaba jest masa termiczna nowoczesnej ściany szczelinowej w porównaniu do ściany z cegły pełnej. Zastępując tynk „mokry” o grubości 13 mm w miejsce suchej zabudowy, można jednak znacznie zwiększyć współczynnik przenikania ciepła:

Zabudowa ściany	Wartość U	Przystępność cieplna	Masa cieplna
100mm cegła 150mm wełna mineralna-. 100mm cegła 100mm bloczek gazobetonowy 13mm „mokry” tynk	0.19 W/m²K	2.74 W/m²K	60 kJ/m²K

Odsprzęgając w ten sposób płytę gipsowo-kartonową można więc zauważyć, że usuwa ona prawie całkowicie efektywną masę termiczną w domu zbudowanym według nowoczesnych standardów i technik.

Wykorzystanie masy termicznej do walki z przegrzewaniem się pomieszczeń w okresie letnim omówiono bardziej szczegółowo w serii artykułów Adaptacja do zmian klimatu w budynkach: Nadmiar ciepła, część pierwszaVII i drugaVIII.

Dekrement

Opisuje sposób, w jaki gęstość, pojemność cieplna i przewodność cieplna materiału, może spowolnić przechodzenie ciepła z jednej strony na drugą, a także zmniejszyć te zyski, gdy przez niego przechodzą. Ma to zatem wpływ na charakterystykę cieplną budynku w cieplejszych okresach. Są one określane odpowiednio jako opóźnienie dekrementu i współczynnik dekrementu.

Faza chemiczna

Gdy materiał zmienia stan ze stałego na ciekły lub z ciekłego na gazowy, przewodność cieplna tego materiału może się zmienić. Wynika to z absorpcji i uwalniania ciepła utajonego, a także może wystąpić w mniejszych skalach, które mogą być korzystne w budownictwie.

Materiały stają się coraz łatwiej dostępne, które mogą zapewnić wysoką masę termiczną z małych objętości. Znane jako materiały do zmiany fazy (PCM), są to substancje, które mogą przechowywać i uwalniać ciepło utajone, podczas topnienia i krzepnięcia odpowiednio w wąskim zakresie temperatur. Materiały te mogą być mikrokapsułkowane w niektórych rodzajach materiałów budowlanych, takich jak gips lub glina, tworząc płyty okładzin ściennych lub sufitowych. Mogą one być również makrokapsułkowane np. w płytach wymienników ciepła stosowanych w urządzeniach chłodniczych i wentylacyjnych, a także są badane pod kątem wbudowania w panele z pianki poliuretanowej, do zastosowań takich jak kompozytowe panele okładzinowe z okładziną metalową. Zaletą PCM jest to, że mogą one zapewnić znaczne ilości masy termicznej, będąc jednocześnie bardzo cienkie; tj. masa termiczna wydaje się nieproporcjonalnie duża w porównaniu z fizyczną grubością materiału.

PCM mogą zaoferować praktyczne rozwiązanie do ponownego wprowadzenia masy termicznej w lekkich budynkach, aby przeciwdziałać przegrzaniu i są omówione bardziej szczegółowo w serii artykułów Adaptacja do zmian klimatu w budynkach: Nadmiar ciepła (część druga)IX.

Interesuje Cię więcej treści takich jak ta? Zapisz się do biuletynu NBS eWeekly.

Zapisz się teraz

.