Zakłócenie strukturalnej ciągłości przegrody zewnętrznej budynku wywołuje, czasem nieoczekiwane, imperfekcje w rozkładzie temperatur w obszarach nieciągłości przegrody.
Powstały problem fizyczny na ogół nie poddaje się rozwiązaniu za pomocą tradycyjnych metod analizy matematycznej, chociaż znane są dobrze zasady i podstawowe prawa z zakresu teorii wymiany ciepła, sformułowane na podstawie pojęcia kontinuum i opisane za pomocą równań różniczkowych. Ograniczenia analizy matematycznej w znacznym stopniu hamowały rozwój teorii fizycznej, pozostawiając dominującą rolę w jej kształtowaniu wynikom eksperymentu oraz metodom analogowym, obciążonym z reguły dużymi błędami.
Wprowadzenie do powszechnego użytku komputerów umożliwia, przy zastosowaniu modeli dyskretnych i skończonych oraz siatek przestrzennych lub czasowo przestrzennych, zastąpienie kontinuum i formułowanie zadań przewodzenia ciepła w polu płaskim i przestrzennym w języku rachunku różnicowego.
Wyniki obliczeń komputerowych powinny być jednak, zdaniem autorów konfrontowane z wynikami eksperymentu, często bowiem rezultaty tych obliczeń w sposób zasadniczy odbiegają od wcześniej publikowanych rezultatów badań w większości wykorzystujących badania na modelach fizycznych.
Zakłócenie ciągłości przegrody zewnętrznej wynika najczęściej z jej niejednorodności strukturalnej, przejawiającej się zmianą geometrii warstw i wkładek wewnętrznych w miejscach mostków termicznych, wieńców, narożników, itp. Owe miejsca, nazywane „osobliwymi” lub „słabymi”, mogą dyskwalifikować sprawność techniczną całego budynku, bowiem w czasie eksploatacji występują w nich z reguły trwałe uszkodzenia o charakterze fizykalnym.
Szczególnym przypadkiem słabego miejsca w przegrodzie jest narożnik zewnętrzny.
Imperfekcja linii strumienia ciepła, związana z konfiguracją narożnika implikuje znaczne obniżenie temperatur na jego powierzchniach wewnętrznych. Najczęściej w narożnikach pomieszczeń rozpoczyna się destrukcja biologiczna i mechaniczna przegrody.
Zjawisko to, znane pod nazwą „efektu narożnika” opisano w pierwszych pracach poświęconych fizyce budowli. Kształtowanie i doskonalenie teorii narożników wraz z metodami ich obliczeń towarzyszy odtąd rozwojowi fizyki budowli w ciągu ostatnich czterdziestu lat. Dotyczą głównie narożników jednorodnych i związane są z nazwiskami Fokina [1], Webera i Hallera [2], Stuppericha [3].
Brak jednak metod oraz formuł pozwalających na ocenę stanu termicznego narożników warstwowych, które w zastosowaniach praktycznych wypierają z rynku budowlanego rozwiązania jednorodne. Dało to autorom niniejszego opracowania podstawę do przeprowadzenia serii badań wstępnych, analizujących wpływ usytuowania w obrębie przegrody warstw ocieplających i określenie różnic w konfiguracji pojawiających się pól temperaturowych.
Zakres badań
Zbadano pięć różnych przypadków. Narożniki wytypowane do badań zestawiono na rys. 1. Poziomem odniesienia uczyniono narożnik jednorodny bez ocieplenia (A), którego wykres izoterm przedstawiony został na rys. 2. Narożnik tworzy mur z cegły ceramicznej o współczynniku przewodności cieplnej l1 = 0,77 W/(m K).
Rys. 2. Izotermy narożnika typu A.
|
Rys. 3. Izotermy narożnika B.
|
Głównym celem badań było ustalenie wpływu usytuowania warstwy izolującej narożnik na jego parametry termiczne, stąd dalsze dwa przypadki dotyczą dwóch krańcowo różnych miejsc lokowania ocieplenia: od zewnątrz (B) i od wewnątrz pomieszczenia (C).
Przypadek szczególny D wskazuje na możliwość ograniczenia „efektu narożnika” przez obudowanie lekkiej warstwy izolującej, tynkiem wewnętrznym zmniejszającym lokalne ekstrema temperaturowe na powierzchni narożnika. Przypadek E służyć ma wyjaśnieniu zakresu imperfekcji pola, wywołanemu niesymetrycznym, częściowym ociepleniem narożnika, stosowanym często przy dociepleniach wewnętrznych w pomieszczeniach.
Warunki fizyczne i brzegowe określono dla wszystkich przypadków jednakowo i podano je na rys. 1.
Obliczenia przeprowadzono metodą różnic skończonych, posługując się własnymi programami. Krok siatki podziałowej wynosił 1 cm. Obliczenia kończono w każdym przypadku po dokonaniu tysięcznej iteracji. Do wykonania obliczeń porównawczych posłużył program KL napisany w Instytucie Techniki Budowlanej.
Wyniki obliczeń, w postaci wykresów izoterm wszystkich badanych przypadków, przedstawiono na rysunkach 2–6. Równocześnie na rysunku 1 w pobliżu narożników wpisano uzyskane w toku obliczeń temperatury minimalne, a także wartości liniowych współczynników przenikania ciepła poszczególnych gałęzi narożnika.
Komentarza wymagają przyjęte do obliczeń wartości współczynnika przenikania ciepła po stronie wewnętrznej narożnika. Uwzględniono dwie wartości współczynnika; w wysokości zalecanej normą [4] ai = 6 W/(m2 K) oraz ai = 8,33 W/(m2 K). Ta druga wielkość lepiej oddaje wyłączny wpływ geometrii narożnika na powstałe pole temperatur.
Rys. 4. Izotermy narożnika C.
|
Rys. 5. Izotermy narożnika D.
|
Analiza wyników badań
Otrzymane rezultaty rzucają nowe światło na mechanizm rozchodzenia się fali temperaturowej w narożniku zbudowanym z warstw materiałowych o znacznie różniącej się przewodności cieplnej. Staje się oczywiste, że znane dotychczas formuły obliczania temperatury krytycznej w narożniku wewnętrznym jednorodnym [1, 2, 3], są praktycznie nieprzydatne dla narożników warstwowych.
Zasadniczą dla sytuacji termicznej narożnika warstwowego wydaje się przewodność cieplna warstwy bezpośrednio stykającej się z powietrzem wewnątrz pomieszczenia.
Narożnik ocieplony od wewnątrz intensywnym materiałem termoizolacyjnym (badano materiały o znacznie różniących się wartościach współczynnika l:l2/l1 » 18) charakteryzuje się korzystniejszym, niższym wskaźnikiem strat cieplnych niż narożnik z takim samym ociepleniem zewnętrznym (por. rys. 3 i 4). Miernikiem wielkości dodatkowego strumienia ciepła przepływającego przez narożnik jest, zsumowana dla obu gałęzi złącza, wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła dla mostka cieplnego powstałego w narożniku.
Równocześnie, powstała na powierzchni wewnętrznej ściany fala temperaturowa, generuje w przypadku ocieplenia wewnętrznego, charakterystyczne minima w pobliżu narożnika tNR (tNR = 10,50, rys. 4). Lokalnie temperatura ulega znacznemu obniżeniu, decydując o przekroczeniu temperatury krytycznej punktu rosy ts w pomieszczeniu, co z punktu widzenia wymagań technicznych [5] może być niedopuszczalne.
Umieszczenie ocieplenia na zewnętrznej powierzchni narożnika, mniej skuteczne jeśli chodzi o ogólny bilans cieplny pomieszczenia, implikuje jednak na powierzchni wewnętrznej złącza mniej zróżnicowane temperatury, o bezpiecznych wartościach krytycznych ze względu na niebezpieczeństwo skroplenia (tNR = 15,18 rys. 3).
Takie ukształtowanie pola temperatur wynika bezpośrednio z właściwości termicznych warstwy wewnętrznej; w przypadku materiału dobrze rozprowadzającego falę temperatur (cegła – o wysokiej wartości współczynnika l) ekstrema zostają wytłumione. Odwrotnie jest przy ociepleniu wewnętrznym, kiedy materiał o wysokiej termoizolacyjności (styropian o niskiej wartości l) utrwala imperfekcje wynikające z geometrii narożnika.
W zgodzie z tym rozumowaniem, dodanie wewnętrznej warstwy tynku grubości 2 cm w złączu ocieplonym od wewnątrz pozwala na usunięcie lokalnych ekstremów temperatury, grożących skropleniem (rys. 5).
Dokładniejsza obserwacja narożnika z ociepleniem wewnętrznym wskazuje, na jednostkowe bądź w bardzo małym przedziale zlokalizowane temperatury minimalne.
Już w niewielkiej odległości od wewnętrznego narożnika, temperatury na powierzchni ściany gwałtownie rosną, szybko zbliżając się do wartości obserwowanych poza oddziaływaniem złącza. Mogą więc powstać wątpliwości, czy jednostkowe temperatury minimalne nie pojawiły się w tym złączu z powodu ułomności metody bądź błędów w programie.
Wyjaśnieniu tych wątpliwości posłużyło zbadanie narożnika ocieplonego niesymetrycznie od wnętrza wkładką styropianową (rys. 6).
Wyniki obliczeń potwierdzają trafność obserwacji poczynionych wyżej odnośnie mechanizmu oddziaływania na złącze warstw ocieplających wewnętrznych. Rozkład izolinii temperaturowych w obszarze narożnika nie pozostawia wątpliwości co do silnego wpływu niesymetrycznego ocieplenia na odchylenie izoterm od powierzchni przegrody. Powstaje, tym razem dość znaczna powierzchnia temperatur ekstremalnych (z bardzo niską temperaturą krytyczną narożnika tNR = –0,49), intensyfikujących strumień ciepła w mostku po nie ocieplonej stronie narożnika.
Przykład ten dobrze ilustruje konsekwencje, które powodować mogą wkładki ocieplające stosowane w sposób nieciągły, fragmentaryczny na wewnętrznych powierzchniach przegród budowlanych. Należy przy tym zwrócić uwagę na istotne pogorszenie sytuacji termicznej lewej gałęzi narożnika (nie ocieplonej) w stosunku do narożnika w którym ocieplenia nie stosowano (por. rys. 2).
Podsumowanie
Narożniki w przegrodach zewnętrznych generują pola temperatur o zróżnicowanych parametrach, zależnych od wzajemnej konfiguracji warstw w przegrodzie.
Metody ustalania wielkości strumienia ciepła oraz temperatur minimalnych w narożniku jedno materiałowym znane z literatury przedmiotu, zupełnie nie sprawdzają się dla narożników warstwowych, stosowanych w praktyce budowlanej.
Ocieplanie od wnętrza narożników jedno materiałowych, skuteczne w zakresie zminimalizowania strat ciepła, sprzyja możliwości pojawienia się na powierzchni złącza temperatur krytycznych, powodujących skroplenia.
Dlatego analiza mostka termicznego w narożniku nie może uwzględniać jedynie badania wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła, równie ważne, bodaj ważniejsze ze względu na konstrukcję złącza, pozostaje sprawdzenie temperatur minimalnych.
Osłonięcie narożników termoizolacją zewnętrzną, pociąga za sobą porównywalnie większe straty ciepła przez złącze równocześnie jednak łagodzi „efekt narożnika”, podnosząc temperaturę krytyczną i wyrównując temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany.
Przedstawione w niniejszym referacie wyniki obliczeń i wyprowadzone wnioskowanie są swojego rodzaju propozycją, której potwierdzenie eksperymentalne wymaga odpowiednich badań na modelach fizycznych.
Literatura
[1] Fokin K. F., 1974, Stroitielnaja teplofizika ograzdajuscich castej zdanij, Stroizdat, Moskva.
[2] Weber A. P., 1958, Der Wärme-und Feuchtigkesschutz von Maurecken, Die Isolation 415.
[3] Stupperich F. R., 1979, Wärmeschutz in Hochbau, Karlsruhe: Verlag C. F. Müller.
[4] Polska Norma PN-EN-ISO 6946 : 1999, Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła.
[5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z dnia 14 grudnia (z późniejszymi zmianami) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz.U. 99.15.140.
Prof. dr hab. inż. Andrzej Dylla
Mgr inż. Krzysztof Pawłowski
ATR Bydgoszcz
WARSTWY – DACHY i SCIANY 1’2002
Rys. 1. Wytypowane narożniki do badań.
Rys. 2. Izotermy narożnika typu A.
Rys. 3. Izotermy narożnika B.
Rys. 4. Izotermy narożnika C.
Rys. 5. Izotermy narożnika D.
Rys. 6. Izotermy narożnika E.
