Transport ciepła

Ciepło jest jednym z dwóch, obok pracy, sposobów przekazywania energii, natomiast transportem ciepła przyjęło się nazywać proces wymiany ciepła pomiędzy dwoma układami. Dwa układy sąsiadujące ze sobą, jak na przykład budynek i powietrze go otaczające, będą zawsze dążyły do uzyskania równowagi termicznej, krótko mówiąc do wyrównania temperatury. Zimą budynek będzie oddawał ciepło do otoczenia, latem natomiast powietrze wokół domu będzie nagrzewało jego ściany.

Transport ciepła może odbywać się na 3 sposoby: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie.

Przewodzenie

Przewodzenie ciepła zachodzi we wnętrzu materiałów stałych i polega na przekazywaniu energii między sąsiadującymi cząsteczkami. Intensywność przewodzenia ciepła zależy od struktury i właściwości danego materiału. Straty ciepła przez przegrody zewnętrzne budynku wiążą się m.in. ze stratami ciepła przez przewodzenie.

Włożony do płomienia świeczki metalowy pręt szybko się ogrzewa. Ciepło przewodzone jest przez materiał i po krótkiej chwili można poczuć wzrost temperatury całego pręta. Po włożeniu do płomienia świeczki pręta ze szkła wzrośnie temperatura podgrzewanego końca. Temperatura drugiego końca pręta nie zmieni się. Wynika to z tego, że prawie wszystkie metale dobrze przewodzą ciepło, natomiast niemetale nie są dobrymi przewodnikami ciepła.

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna jest informacją o strumieniu energii, jaki przepływa przez jednostkową powierzchnię warstwy materiału o grubości 1m, przy różnicy temperatury po obydwu stronach tej warstwy 1K (1°C). Współczynnik przewodzenia ciepła materiału (lambda) λ [W/(m•K)] jest wielkością charakterystyczną danego materiału. Zależy on od jego składu chemicznego, porowatości, ale i również od wilgotności.

Mała wartość λ = dobre właściwości termoizolacyjne
Duża wartość λ = złe właściwości termoizolacyjne

Orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ [W/(m•K)] niektórych materiałów budowlanych w warunkach średniowilgotnych:

Materiały konstrukcyjne:  
Żelbet 1,7
Beton zwykły 1,5
Mur z cegły pełnej 0,77
Mur z cegły klinkierowej 1,05
Mur z cegły kratówki 0,56
Mur z cegły silikatowej 0,8
Płyty i bliki z gipsu 0,35
Drewno sosnowe 0,16
Mur z kamienia łamanego 2,5
Beton komórkowy 0,2
Materiały termoizolacyjne:  
Styropian 0,031-0,045
Poliuretan 0,035
Polistyren ekstrudowany XPS 0,032-0,036
Wełna mineralna 0,035-0,045
Korek ekspandowany 0,045
Maty z włókna szklanego 0,045
Płyty wiórowo- cementowe 0,15
Szkło piankowe czarne 0,07
Płyta pilśniowa porowata 0,06
Powietrze (nieruchome) 0,02
Materiały osłonowe:  
Tynk cementowy 1
Tynk cementowo-wapienny 0,82
Tynk wapienny 0,7
Płyty gipsowo-katronowe 0,23
Jastrych gipsowy 0,52
Sklejka 0,16
Płyty pilśniowe twarde 0,18
Płyty ceramiczne 1,05
Wykładzina podłogowa PCW 0,2
Inne materiały:  
Papa asfaltowa 0,18
Papier 0,25
Trociny drzewne luzem 0,09
Żużel paleniskowy 0,28
Glina 0,75
Piasek średni 0,4
Żwir 0,9
Grunt 0,9
Stal budowlana 58
Żeliwo 50
Miedź 370
Szkło okienne 0,8
Szkło organiczne 0,19

Opór przewodzenia ciepła

Opór przewodzenia ciepła R [W/(m2•K)] jest wielkością charakteryzującą właściwości termoizolacyjne przegrody budowlanej. Oprócz współczynnika przewodności cieplnej λ poszczególnych materiałów stanowiących przegrodę, wpływ na jego wartość mają także grubości tych warstw. Wartość oporu cieplnego warstwy materiału najlepiej charakteryzuje właściwości termiczne danej części przegrody.

Promieniowanie

Energia jest wymieniana w postaci fali elektromagnetycznej między powierzchniami ciał stałych o różnej temperaturze i różnych właściwościach emisyjnych.

Konwekcja

Jest to przenoszenie energii poprzez poruszające się swobodnie cząsteczki gazów lub cieczy. Straty ciepła wynikające z wymiany ciepłego powietrza z pomieszczenia na zimne zewnętrzne to zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego.

Kierunek przepływu powietrza wokół grzejnika przy konwekcji swobodnej został przedstawiony na rysunku powyżej. Ruch cząstek powietrza wywołuje zmiana jego gęstości, która jest skutkiem zmiany jego temperatury.

Współczynnik przejmowania ciepła

Współczynnik przejmowania ciepła h [W/(m2•K)] odpowiada strumieniowi energii, tj. ilości ciepła, jakie napływa lub odpływa w ciągu jednej sekundy, z jednostkowej powierzchni przegrody do otaczającego ją powietrza, przy różnicy temperatury powierzchni przegrody i powietrza równej 1K (1°C).

Zazwyczaj można spotkać następujące oznaczenia:

  • współczynnik przejmowania ciepła po stronie wewnętrznej hsi,
  • współczynnik przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej hse.

Wartość współczynnika przejmowania ciepła zależy przede wszystkim od kierunku przepływu strumienia ciepła, prędkości ruchu powietrza w otoczeniu przegrody i wymiany ciepła na drodze promieniowania.

Opór przejmowania ciepła

Opór przejmowania ciepła jest równy odwrotności współczynnika przejmowania ciepła. Niezależnie od oporów przepływu ciepła przez poszczególne warstwy przegrody budowlanej, występują dodatkowo opory przejmowania ciepła po obydwu jej stronach, od strony powietrza wewnętrznego (Rsi) i zewnętrznego (Rse). Przykłady oporów przejmowania ciepła różnych przegród budowlanych przedstawiono w tabeli poniżej.

Przykłady oporów przejmowania ciepła różnych przegród budowlanych:

Przegroda Kierunek przepływu ciepła Rsi
(m2·K)/W
Rse
(m2·K)/W
Rsi+Rse
(m2·K)/W
Ściana zewnętrzna poziomy 0,13 0,04 0,17
Ściana zagłębiona w gruncie poziomy 0,13 0 0,13
Ściana wewnętrzna poziomy 0,13 0,13 0,26
Ściana przy pomieszczeniu nieogrzewanym poziomy 0,13 0,13 0,26
Stropodach zewnętrzny w górę 0,1 0,04 0,14
Strop wewnętrzny w górę 0,1 0,1 0,2
Strop wewnętrzny w dół 0,17 0,17 0,34
Strop nad przejazdem w dół 0,17 0,04 0,21
Strop nad strychem nieogrzewanym w górę 0,1 0,1 0,2

Współczynnik przenikania ciepła

Współczynnik przenikania ciepła U [W/(m2•K)] jest miarą strat ciepła przez przegrodę. Podobnie jak opór cieplny, współczynnik U służy do charakteryzowania właściwości termoizolacyjnych poszczególnych elementów budynku. Wartość współczynnika U zależy od rodzaju zastosowanych materiałów (współczynnika przewodności cieplnej λ) i ich grubości, także od warunków w pomieszczeniu i kierunku przepływu ciepła. Wartość współczynnika U wyraża ilość ciepła, jaka przepłynie w czasie jednej sekundy przez jednostkową powierzchnię przegrody budowlanej (1m2), przy różnicy temperatury powietrza po obydwu stronach równej 1K (1°C).

Niższa wartość U = małe straty ciepła,
Wyższa wartość U = duże straty ciepła.

Im lepiej zaizolowane są przegrody zewnętrzne budynku (niższe wartości współczynnika przenikania ciepła U), tym mniejsze są straty energii i mniejsze koszty ogrzewania.

Artykuł opracowany na podstawie materiałów Stowarzyszenia Producentów Styropianu