Wyznaczenie wartości współ-czynnika przenikania ciepła me-todą termografi czną
Miarą izolacyjności cieplnej przegrody budowlanej jest wartość współczynni-ka przeniwspółczynni-kania ciepła U. Współczynnik ten defi niowany jest dla ustalonego i jednokierunkowego przepływu cie-pła, a jego wartość określa równanie:
(1) gdzie:
Te – temperatura powietrza po zimnej stronie przegrody,
Ti – temperatura powietrza po ciepłej stronie przegrody,
qi – gęstość strumienia ciepła, i – wewnętrzna strona przegrody.
Gęstość strumienia cieplnego mierzo-na jest zazwyczaj ciepłomierzem, ale można ją również wyznaczyć metodą termografi czną, obliczając ze wzoru:
(2) gdzie:
Tsi – temperatura na powierzchni przegrody,
hsi – współczynnik przejmowania ciepła.
W ramach projektu badawczego N N526 1191 33 [6] przeprowadzo-no badania nad możliwością zasto-sowania techniki termografi cznej do ilościowego określania właściwości cieplnych przegród budowlanych.
Przeprowadzono wielomiesięczne badania zarówno w warunkach labo-ratoryjnych w komorze klimatycznej, jak i w rzeczywistych budynkach mieszkalnych dla ścian wykonanych
0 1 2 3 4 5 6
03-12-2009 12:00 04-12-2009 00:00 04-12-2009 12:00 05-12-2009 00:00 05-12-2009 12:00 06-12-2009 00:00 06-12-2009 12:00 07-12-2009 00:00 07-12-2009 12:00 08-12-2009 00:00 08-12-2009 12:00
czas q [W/m2]
q - beton komórkowy - pomiar ciepłomierzem q - vabeton komórkowy - pomiar termograficzny q - konstrukcja szkieletowa - pomiar ciepłomierzem q - konstrukcja szkieletowa - pomiar termograficzny
0 5 10 15 20 25
04-12-09 00:11 04-12-09 12:11 05-12-09 00:12 05-12-09 12:12 06-12-09 00:12 06-12-09 12:12 07-12-09 00:12 07-12-09 12:12 08-12-09 00:12
czas temperatura [0C]
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U [W/m2K]
Temperatura powietrza wewnątrz Temperatura powietrza na zewnątrz U obliczone z pomiaru ciepłomierzem U obliczone z pomiaru termograficznego
Rys. 1 | Gęstość strumienia ciepła z pomiaru ciepłomierzem i wyznaczoną metodą termograficzną dla ścian o różnej izolacyjności cieplnej [6]
Rys. 2 | Chwilowa wartość współczynnika przenikania ciepła w zależności od temperatury powietrza dla ściany z betonu komórkowego
w różnych technologiach. Uzyskane wyniki wykazały bardzo dobrą zgodność wartości gęstości strumienia mierzonych ciepłomierzem i wyznaczonych z po-miaru termografi cznego w każdych warunkach wymiany ciepła (rys. 1). Iloraz odchylenia standardowego różnic gęstości strumienia ciepła zarówno mierzone-go ciepłomierzem, jak i obliczonemierzone-go na podstawie pomiaru termografi cznemierzone-go do średniej wartości gęstości strumienia ciepła zawiera się w granicach 3–4%, przy podawanej przez producenta dokładności ciepłomierza wynoszącej 5%.
Na podstawie chwilowych wartości gęstości strumienia ciepła (uzyskanych z pomiaru ciepłomierzem i termografi cznego) i temperatury powietrza po obu stronach przegro-dy obliczano ze wzoru (1) wartość współczynnika przenikania ciepła. Przykładowe wy-kresy wartości współczynnika U dla ściany jednowarstwowej z betonu komórkowego i ściany szkieletowej w budynku mieszkalnym przedstawiono na rys. 2 i rys. 3. Ściana
( )
t e c h n o l o g i e
04-12-09 00:11 04-12-09 12:11 05-12-09 00:12 05-12-09 12:12 06-12-09 00:12 06-12-09 12:12 07-12-09 00:12 07-12-09 12:12 08-12-09 00:12
czas temperatura [0C]
-0.1
Temperatura powietrza wewnątrz Temperatura powietrza na zewnątrz U obliczone z pomiaru ciepłomierzem U obliczone z pomiaru termograficznego
0
04-12-09 00:11 04-12-09 12:11 05-12-09 00:12 05-12-09 12:12 06-12-09 00:12 06-12-09 12:12 07-12-09 00:12 07-12-09 12:12 08-12-09 00:12
czas temperatura [0C]
0.0
Temperatura powietrza wewnątrz Temperatura powietrza na zewnątrz U obliczone z pomiarów chwilowych U obliczone jako narastająca średnia
-5
12-02-09 00:17 12-02-09 06:17 12-02-09 12:17 12-02-09 18:17 13-02-09 00:17 13-02-09 06:17 13-02-09 12:17 13-02-09 18:17 14-02-09 00:17 14-02-09 06:17 14-02-09 12:17 14-02-09 18:17 15-02-09 00:17
czas temperatura [0C]
0
Temperatura powietrza wewnątrz Temperatura powietrza na zewnątrz U obliczone z pomiarów chwilowych U obliczone jako narastajaca średnia
Rys. 3 | Chwilowa wartość współczynnika przenikania ciepła w zależności od temperatury powietrza dla ściany o konstrukcji szkieletowej
Rys. 4 | Chwilowa i narastająca średnia wartość współczynnika przenikania ciepła przez ścianę z betonu komórkowego w zależności od temperatury powietrza
Rys. 5 | Chwilowa i narastająca średnia wartość współczynnika przenikania ciepła przez ścianę z betonu komórkowego przy dużej zmienności temperatury powietrza wewnątrz
szkieletowa, z uwagi na małą pojemność cieplną, szybko osiąga ustalony stan wy-miany ciepła i wartość współczynnika przenikania ciepła nie zależy w znacz-nym stopniu od zmiany warunków brze-gowych (rys. 3), natomiast w przypadku ściany z betonu komórkowego zależność ta jest wyraźnie widoczna (rys. 2).
W przypadku nieustalonej wymiany ciepła wartość współczynnika przeni-kania ciepła jest prawidłowa, jeżeli jest obliczana jako wartość średnia w okre-sie obejmującym pełne cykle zmien-ności warunków brzegowych lub jako narastająca średnia [1]. Taki sposób obliczeń daje dobre rezultaty niezależ-nie od charakteru zmian warunków brzegowych; zarówno przy stałej tem-peraturze powietrza wewnętrznego (rys. 4), jak i przy zmianach temperatu-ry po obu stronach przegrody (temperatu-rys. 5).
Wartość zbliżoną do prawidłowej otrzymuje się po dobie pomiaru, jeżeli warunki na końcu doby osiągały warto-ści zbliżone do tych na początku doby.
Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie zasad pomiaru termografi cznego mającego na celu wyznaczenie wartości współ-czynnika przenikania ciepła przez przegrodę budowlaną [6]:
1. Pomiary należy wykonywać w stanie wymiany ciepła jak najbardziej zbli-żonym do stanu ustalonego.
2. Zmiany gęstości strumienia ciepła przejmowanego przez ścianę od we-wnętrznej strony zależą w najwięk-szym stopniu od sposobu ogrzewania (stałości dopływu ciepła), co stwier-dzono zarówno w czasie badań w ko-morze klimatycznej, jak i na przykła-dach różnych systemów ogrzewania w rzeczywistych budynkach. Cyklicz-ne wahania temperatury powietrza na zewnątrz budynku są tłumione w przegrodzie (szczególnie w masyw-nej) i nie powodują dużych zmian gę-stości strumienia ciepła po wewnętrz-nej stronie przegrody (rys. 6).
3. Wstępna analiza dokładności wy-znaczenia współczynnika U [7]
wykazała, że najlepszą dokładność
56
INŻYNIER BUDOWNICTWA
t e c h n o l o g i e
■ na podstawie chwilowych wartości temperatury w warunkach wymiany ciepła zbliżonej do stanu ustalonego,
■ z wartości średnich lub narastają-cych średnich dla cyklicznych do-bowych zmian wartości mierzonych (ważne jest, by warunki na końcu doby osiągały wartości zbliżone do tych na początku doby, a obliczenia obejmowały pełne okresy zmian).
Wartość współczynnika U wyznaczo-na przy spadku lub wzroście tempera-tury powietrza zewnętrznego w całym okresie pomiarów jest obarczona du-żym błędem, chyba że uwzględni się zmianę energii wewnętrznej przegro-dy i jej współczynniki strukturalne.
Z narastających średnich wyników pomia-rów w dłuższym (wielodniowym) okresie otrzymuje się prawidłową wartość U – niezależnie od warunków brzegowych.
W przypadku przegród lekkich (o bar-dzo małej pojemności cieplnej) wyma-gania odnośnie do warunków brzego-wych są znacznie luźniejsze, wystarczy
stosunkowo krótki okres uśredniania temperatury, niezależnie od charakte-ru zmian.
Istotnym parametrem niezbędnym do obliczenia współczynnika U jest współ-czynnik przejmowania ciepła. Jego wartość można przyjąć na podstawie [4] z uwzględnieniem prędkości ruchu powietrza w pobliżu powierzchni.
Podsumowanie
Przeprowadzone badania doświad-czalne wykazały możliwość wyznacze-nia gęstości strumiewyznacze-nia ciepła metodą termografi czną, a zatem możliwe jest ilościowe określanie parametrów izo-lacyjności cieplnej przegród budowla-nych in situ za pomocą tej techniki.
Niewątpliwą i wyjątkową zaletą termo-grafi i jest natychmiastowe uzyskanie informacji o całej powierzchni bada-nej przegrody. Możliwe jest wykrycie mostków cieplnych i niejednorodności izolacyjności cieplnej wraz z określe-niem ich powierzchniowego zasięgu.
-5
10-01-2009 12:16 11-01-2009 12:15 12-01-2009 12:15 13-01-2009 12:15 14-01-2009 12:45 15-01-2009 12:45 19-01-2009 15:03 czas
temperatura [0C]
-10 temperatura powietrza po zimnej stronie przegrody
temperatura powietrza po ciepłej stronie przegrody q - gęstość strumienia ciepła
Rys. 6 | Zależność gęstości strumienia ciepła mierzonego na ciepłej stronie przegrody od zmian temperatury powietrza po zimnej i ciepłej stronie (ściana z bloczków silikatowych ocieplona od zimnej strony)
Rys. 7 | Pomiar temperatury ściany i powietrza (temperaturę powietrza przyjmuje bawełniana taśma)
uzyskuje się dla pomiarów termo-grafi cznych prowadzonych od we-wnętrznej strony budynku.
4. Dla ścian o małej wartości współ-czynnika przenikania ciepła najwięk-szy udział w niepewności złożonej wyznaczenia wartości U pochodzi od niepewności wyznaczenia różnicy temperatury pomiędzy powierzchnią ściany a otaczającym ją powietrzem.
Ponieważ wartość różnicy tempera-tury pochodzi z termogramu, do ilo-ściowych pomiarów termowizyjnych budynków należy stosować kamery o dużej dokładności.
5. Różnice temperatury pomiędzy po-wierzchnią przegrody budowlanej i otaczającego ją powietrza wyzna-cza się kamerą termografi czną z po-jedynczego termogramu, na którym zarejestrowany jest obraz powierzchni przegrody i obiektu przyjmującego temperaturę powietrza (rys. 7). Obiekt przyjmujący temperaturę powietrza powinien cechować się małą pojemno-ścią cieplną (zmiana jego temperatury będzie nadążać za zmianą temperatu-ry powietrza) i matową powierzchnią o dużej wartości współczynnika emi-syjności. Obiekt ten należy umieścić w odległości około 20–30 cm od po-wierzchni obrazowanej ściany. Może to być na przykład złożona kartka ma-towego papieru. Różnice temperatury określone termografi cznie należy wy-znaczać jako różnice średnich wartości temperatury w pewnym polu, a nie w punkcie pomiarowym, ponieważ to znacznie poprawia dokładność.
6. Optymalne warunki do przeprowa-dzania pomiarów mających na celu wyznaczenie wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrody budowlane istniejących budynków (in situ) zachodzą przy różnicy tempera-tury powietrza po obu stronach prze-grody wynoszącej około 20oC. Przy większej różnicy temperatury dokład-ność wyznaczenia wartości współ-czynnika U niewiele się zwiększa.
7. Obliczenie wartości współczynnika przenikania ciepła U jest możliwe:
t e c h n o l o g i e
58
IX Międzynarodowe Targi Sprzętu Elektrycznego i Systemów Zabezpieczeń ELEKTROTECHNIKA 2011 Wraz z targami odbywają się:Targi Czystej Energii CENERG Targi ŚWIATŁO
Termin: 13–14.04.2011 Miejsce: Kielce
Kontakt: tel. 41 365 12 22 biuro@targikielce.pl www.targikielce.pl EXPO-GAS 2011
– Targi Techniki Gazowniczej Termin: 31.03.2011 Miejsce: Warszawa Kontakt: tel. 22 390 01 83 Wzmacnianie podłoża i fundamentów X Seminarium „Geotechnika dla inżynierów”
Termin: 15.03.2011 Miejsce: Warszawa Kontakt: tel. 55 618 20 90 www.fts.org.pl Przejazdy kolejowe 2011 seminarium
Termin: 22–26.03.2011 Miejsce: Kijów, Ukraina Kontakt: tel. +38 44 49 06 220 INTERBUDEXPO
Termin: 25–27.03.2011 Miejsce: Lublin
Kontakt: tel. 81 534 46 14 www.targi.lublin.pl
XXX Lubelskie Targi Budowlane
„LUBDOM – wiosna”
ZAREZERWUJ
TERMIN
Na przykład w przypadku ścianki ko-lankowej przedstawionej w cz. I ar-tykułu (rys. 7, „IB” nr 2/2011), gdzie konstrukcyjne mostki cieplne (wieniec i słupki) zajmują 30% powierzchni ściany, średni współczynnik przeni-kania ciepła obliczony jako średnia ważona lokalnych wartości znacznie różni się od wartości nieuwzględ-niającej mostków cieplnych. W cza-sie pomiaru temperatura powietrza w pomieszczeniu wynosiła około 20oC, na ścianie o 1,0oC mniej, a na powierzchni słupków i wieńca mniej o 2,5–3,0oC od temperatury powie-trza. Ekwiwalentny współczynnik przenikania ciepła, obliczany jako ilo-raz gęstości strumienia ciepła na we-wnętrznej powierzchni ściany i różni-cy temperatury powietrza po obu jej stronach, wynosił odpowiednio 0,26 i 0,80 W/m2K na powierzchni ściany jednowarstwowej i słupków, a war-tość średniej ważonej współczynnika U dla powierzchni całej ścianki ko-lankowej wyniosła 0,42 W/m2K. Nad-mienić należy, że wartość U obliczona dla 42-centymetrowej ściany z blocz-ków Ytong odmiany 400 wynosi 0,25 W/m2K.
Pewnych kłopotów w termogra-fi cznej metodzie określenia gęsto-ści strumienia ciepła przysparza potrzeba dokładnej znajomości współczynnika przejmowania ciepła. Pomiary doświadczalne wy-kazały, że jego wartość można przy-jąć na podstawie PN-EN ISO 6946, z uwzględnieniem prędkości ruchu powietrza w pobliżu powierzchni.
Równoczesny z obrazowaniem termo-grafi cznym punktowy pomiar gęsto-ści strumienia ciepła ciepłomierzem pozwala na niezależne (kontrolne) wyznaczenie wartości współczynnika przejmowania ciepła.
Nie bez znaczenia jest całkowita nie-inwazyjność metody termografi czne-go obrazowania (nie zaburza bada-nego pola temperatury i nie wpływa destrukcyjnie na obiekt) i możliwość zdalnego wykonania pomiaru, co ma
duże znaczenie w przypadku bada-nia obiektów zabytkowych bądź ta-kich, w których bezpośredni dostęp do powierzchni jest utrudniony. Naj-większą zaletą termografi i jest możli-wość szybkiego pomiaru i obrazowa postać jego wyniku – termogram.
dr inż. Alina Wróbel
dr inż. Andrzej Wróbel
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Opracowanie wykonano w ramach ba-dań statutowych AGH nr 11.11.150.005 i 11.11.150.949.
Literatura
1. T. Kisilewicz, A. Wróbel, Diagnostyka termowi-zyjna przegród w niestacjonarnych warunkach brzegowych. Fizyka budowli w teorii i prakty-ce, Czasopismo Naukowe tom IV, Politechnika Łódzka, Łódź 2009.
2. Norma prEN 12494 Building components and elements – In-situ measurement of the surface-to-surface thermal resistance – projekt normy europejskiej.
3. A. Ostańska, Problemy rewitalizacji zespołów prefabrykowanej zabudowy mieszkaniowej na przykładzie osiedla im. Stanisława Moniuszki w Lublinie, „Budownictwo i Architektura” nr 4/2009.
4. PN-EN ISO 6946 Komponenty budowlane i ele-menty budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
5. J. Pogorzelski, K. Kasperkiewicz, Aktualne wy-magania ochrony cieplnej budynków i zwią-zane z nimi normy, konferencja „Energoosz-czędne budownictwo mieszkaniowe”, ITB, Warszawa 2001.
6. Praca zbiorowa pod kierunkiem Aliny Wróbel, Ilościowe określanie właściwości cieplnych przegród budowlanych z wykorzystaniem techniki termowizyjnej, sprawozdanie z projek-tu badawczego fi nansowanego w latach 2007 –2010 przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, 2011.
7. A. Wróbel, Termografi a w pomiarach inwen-taryzacyjnych obiektów budowlanych, Rozpra-wy. Monografi e, Wydawnictwa AGH, Kraków 2010.