Doktorský seminář VI.
Obsah:
1 2 3 4
Úvod.............................................................................................................................................2 Hledání metodiky měření na jednoduché teplé skříni..................................................................2 Výsledky měření na jednoduché teplé skříni ...............................................................................8 Měření tepelné stability..............................................................................................................12
1
Doktorský seminář VI.
ŠÍŘENÍ TEPLA A VLHKOSTI VE SLAMĚNÝCH KONSTRUKCÍCH THERMAL AND MOISTURE TRANSMITTANCE IN STRAW BALES STRUCTURES
DOKTORSKÁ SEMINÁRNÍ PRÁCE Č.6 Daniel Grmela1
Abstract Holistic approach to design of high-quality indoor climate in residential buildings, which impeaches maximum economic, social and environmental relations and effects, is coming to aplication of straw bales with the clay plasters and renders in the building structures as the one of the ways which completely fulfil so defined requirements but in spite of its stronge potential has yet to come into its own because of absence of any relevant inland experience, experiments and design methods. This paper is aiming on thermal and moisture transmittance as a base for a methodology of the thermal physic design and assessment of straw bale structures. Keywords Bale – balík, clay – hlína, jíl, environmental – mající vztah k životnímu prostředí, holistic approach – celostní přístup, straw - sláma, air permeability – průvzdušnost, thermal conductivity – tepelná vodivost, thermal resistence – tepelný odpor, convection – proudění.
1 ÚVOD Podstatnou částí práce v 6. semestru doktorského studia bylo vytvoření odborného článku pro časopis Stavebnictví ve spolupráci s Ing. Petrem Hamšíkem z MLZU Brno. V článku jsem shrnul základní poznatky o využití slámy ve stavebních konstrukcích a nejdůležitější výsledky vlastní práce týkající se šíření tepla a vlhkosti ve slaměných konstrukcích. Kolega Hamšík je doplnil o výsledky vlastního certifikovaného měření metodou chráněné teplé skříně. Přidali jsme ukázky tuzemských realizací a společně jsme učinili závěry pro praxi, mj. též s ohledem na využití pro navrhování pasivních domů. Článek bude publikován v září 2010. Dále jsem se věnoval měření hustoty tepelného toku slaměným balíkem v závislosti na teplotním spádu pomocí jednoduché teplé skříně sestavené v rámci interního grantu školy. V této práci uvádím výsledky v sérii grafů a tabulek s pokusem o slovní zhodnocení. V závěru semestru jsem měřil tepelnou stabilitu zahradního domku v Ivanovicích na Hané izolovaného tenkou vrstvou slámy a slaměného domu v Hradčanech u Tišnova, průběh teplot uvádím formou grafu, srovnání měřených a vypočtených hodnot pak bude součástí práce v dalším semestru.
2
HLEDÁNÍ METODIKY MĚŘENÍ NA JEDNODUCHÉ TEPLÉ SKŘÍNI
Zařízení jsem sestavil v předchozích semestrech v rámci vnitřního grantu školy. Dno a bočnice teplé skříně jsou izolovány polystyrenem v tloušťce 50cm. Dno skříně je vyhříváno elektrickou plotnou. Teplo z elektrické plotny je po celé ploše dna rozvedeno hliníkovou deskou tl. 5 mm (tepelná vodivost λ = 203 Wm/K). Víko skříně je chlazeno vodou s ledem. Má tvar ploché vany, s výškou 250 mm. Je vyrobeno z ocelového plechu tl. 2 mm.
Obr. 1 – sestavené zařízení 1
Daniel Grmela, Ing., VUT Brno, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství, Veveří 331/95,
[email protected]
2
Doktorský seminář VI.
V druhé fázi bude skříň otočena na bok a chlazena mrazákem. Dovnitř skříně se umístí měřený vzorek-slaměný balík. Tepelný odpor měřeného vzorku se určí z tepelného toku balíkem a teplot na teplé a chladné straně měřeného vzorku při ustáleném teplotním stavu.. Tepelný tok balíkem se určí jednak z rozdílu výkonu topné plotny a tepelného toku stěnami a dnem skříně jednak se změří měřidlem tepelného toku.. Topná plotna je napájena, regulována a její příkon je měřen pomocí dvou školních zdrojů stejnosměrného napětí zapojených pro dosažení potřebného výkonu do série. Ф=P kde
(1) Ф … tepelný tok do teplé skříně (W) P … výkon~příkon (W)
q = qv+qz
(2)
q=Ф
(3)
kde
q … hustota tepelného toku z teplé skříně (W/m2) qv… hustota tepelného toku skrze měřený vzorek (W/m2) qz… hustota tepelného toku ztrátová (skrze dno a bočnice teplé skříně) (W/m2)
Rv = (θt-θch)/qv kde
(4)
Rv … tepelný odpor měřeného vzorku (m2K/W) θt … teplota na teplém povrchu měřeného vzorku (° C) θch … teplota na chladném povrchu měřeného vzorku (° C)
Ztrátovou hustotu tepelného toku qz určím: 1) Z měřených povrchových teplot na vnitřní a vnější straně teplé skříně a z tepelného odporu dna a bočnic teplé skříně vypočteného na základě tepelných vodivostí a tloušťek použitých materiálů udaných výrobcem a pro kontrolu změřených (přístrojem Izomet, délkovým měřidlem). 2) Alfametrem. 3) Kalibrací skříně pomocí vzorku se známým tepelným odporem. Průvzdušnost bude stanovena na zařízení vyvinutém Ing. Znajdou na ústavu Stavebních hmot a dílců dle ČSN 730570 a ČSN EN 12114. Tak bude možné sledovat velikost tepelného odporů fragmentů slaměných stěn v závislosti na směru tepelného toku, tloušťce vrstvy izolace, průvzdušnosti a způsobu omítnutí či vložení mezi další konstrukční vrstvy. V tomto semestru jsem vyladil regulaci množství tepla dodávané varnou plotnou. Teplotu na teplé stranně vzorku lze nyní spojitě regulovat v rozsahu 20-50°C. Nyní pracuji na vyladění chlazení. Chlazení pomocí ploché vany s vodou, do které vkládám pet lahve s ledem se ukázalo jako funkční v uspokojivé míře. Nevýhodou je však manuální obsluha. Pro udržení nízkých teplot na chladné straně vzorku je nutné pet lahve s ledem měnit ob den. Proto nyní zkouším chladnou stranu zařízení chladit přímo mrazákem vloženým do ocelové chladící vany. Problém je s izolací mrazáku a jeho malým výkonem. Při tomto způsobu chlazení se mi zatím nepodařilo dosáhnout kýžených nízkých teplot. Teplotní spád a možnost jeho regulace je však i tak dostatečná.
3
Doktorský seminář VI.
Obr. 2 – izolace chladné částí při chlazení vodou s ledem
Obr. 3 – izolace chladné částí při chlazení mrazákem – přední část
4
Doktorský seminář VI.
Obr. 4 – izolace chladné částí při chlazení mrazákem – zadní část
Obr. 5 – chladná strana vzorku
Obr. 6 – chladná strana vzorku - přikrytí vlnitou lepenkou
5
Doktorský seminář VI.
Pro vytvoření vodorovného povrchu, ze kterého je možné snímat hustotu tepelného toku jsem měřený vzorek přikryl vlnitou lepenkou. Její vliv na velikost hustoty tepelného toku nehraje v této fázi podstatnou roli.
Obr. 7 – simulované pole teplot
Obr. 8 – simulované směry tepelných toků Dle počítačové simulace má měřený vzorek dostatečnou půdorysnou plochu k tomu, aby byl tepelný tok uvnitř vzorku orientovaný jedním směrem. To však neodpovídá měřeným hodnotám. Při měření dvěma alfametry, jedním na spodní-chladné a druhým na horní-studené straně vzorku, se hodnoty tepelných toků liší. To signalizuje, že tepelný tok uvnitř vzorku zřejmě jedním směrem (vertikálně) orientovaný není. Podezření na nepřesnost měření použitými alfametry jsem vyvrátil jejich vzájemnou kalibrací. Velikost tepelného toku na okenním parapetu měřili oba použité parametry stejně, avšak za podmínky že měření není ovlivněno prouděním vzduchu. Pro vyloučení možného vlivu proudění vzduchu uvnitř vzorku na měření alfametry jsem tyto před dalším měřením zabalil do ochranných obálek. V této fázi není vliv obálek na velikost tepelného toku podstatný, nejde o získání hodnot tepelných toků (potažmo tepelného odporu) blížících se skutečnosti, ale pouze o vyladění funkce měřícího zařízení a nalezení vhodné metodiky měření.
6
Doktorský seminář VI.
Obr. 9 – kalibrace alfametrů
Obr. 10 – kalibrace alfametrů
Obr. 11 – ochranná obálka k vyloučení vlivu proudění vzduchu
7
Doktorský seminář VI.
Obr. 12 – ochranná obálka k vyloučení vlivu proudění vzduchu Pro omezení neusměrněných tepelných toků a pro získání nižších teplot v chladné části skříně jsem v další fázi teplou i chladnou část měřícího zařízení dokonale utěsnil. Po utěsnění se začali projevovat předpokládané problémy s kondenzací vzdušné vlhkosti na spodním líci chladící vany a zatékání vody do měřeného vzorku. V další fázi budu řešit instalaci difuzní folie s odvodem kondenzátu hadičkou do kbelíku.
VÝSLEDKY MĚŘENÍ NA JEDNODUCHÉ TEPLÉ SKŘÍNI 40 35 30 mV 2 M00: Wm NiCr M01: °C NiCr M02: °C NiCr M03: °C NiCr M04: °C NiCr M05: °C NiCr M06: °C NiCr M07: °C NiCr M08: °C
25 20 15 10 5
7.4.2010
6.4.2010
6.4.2010
6.4.2010
5.4.2010
5.4.2010
4.4.2010
4.4.2010
4.4.2010
3.4.2010
3.4.2010
2.4.2010
2.4.2010
2.4.2010
1.4.2010
-5
1.4.2010
0 31.3.2010
3
-10
Graf 1 – výsledky měření za první týden, chlazení vodou s ledem
θt-θch (°C)
qv (W/m2)
Rv (m2K/W) d (m) λ (W/mK)
13
4
3,25
0,5
9
2,5
3,6
0,5
pozn. pouze chladná 0,15 strana pouze chladná 0,14 strana
Tab. 1 - závislost tepelné vodivosti na teplotním spádu
8
Doktorský seminář VI.
Rv = (θt-θch)/qv kde
(4)
Rv … tepelný odpor měřeného vzorku (m2K/W) θt … teplota na teplém povrchu měřeného vzorku (° C) θch … teplota na chladném povrchu měřeného vzorku (° C) qv… hustota tepelného toku skrze měřený vzorek (W/m2)
λ = d/Rv kde
(5) Rv … tepelný odpor měřeného vzorku (m2K/W) d … tloušťka měřeného vzorku (m) λ … tepelná vodivost (W/mK)
Hodnotu qv a hodnotu θt-θch jsem dosadil jako průměrnou za daný interval. Pro všechna měření zůstává konstantní tloušťka měřeného vzorku 0,5m.
40 35 30 25
mV 2 M01: Wm mV 2 M07: Wm NiCr M02: °C NiCr M03: °C NiCr M04: °C NiCr M05: °C NiCr M06: °C
20 15 10 5
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
8.4.2010
7.4.2010
7.4.2010
7.4.2010
7.4.2010
7.4.2010
-5
7.4.2010
0
Graf 2 – výsledky měření za druhý týden, po rozpuštění ledu Rv (m2K/W)
θt-θch (°C) qv (W/m2) 6 6
5 2
λ (W/mK)
d (m) 1,2 3
0,5 0,5
pozn. chladná 0,42 strana 0,17 teplá strana
Tab. 2 - závislost tepelné vodivosti na teplotním spádu Ve srovnání s certifikovaným měřením (viz. článek sepsaný s kolegou Hamšíkem) se zdají být hodnoty stanovené výše popsaným způsobem v prvním a druhém týdnu měření nereálně vysoké. I kdyby se do budoucna nepodařilo na jednoduché teplé skříni získat hodnoty přesnější, z pokusů bude možné vysledovat míru závislosti velikosti tepelného odporu na teplotním spádu, tloušťce vrstvy a hustotě (průvzdušnosti) vzorku.
9
Doktorský seminář VI.
60 50 40
Řada1 Řada2 Řada3 Řada4 Řada5 Řada6 Řada7
30 20 10
27.4.2010
27.4.2010
26.4.2010
25.4.2010
25.4.2010
24.4.2010
23.4.2010
23.4.2010
22.4.2010
21.4.2010
20.4.2010
20.4.2010
19.4.2010
18.4.2010
18.4.2010
17.4.2010
16.4.2010
15.4.2010
-20
15.4.2010
-10
14.4.2010
0
Graf 3 – výsledky měření za třetí a čtvrtý týden, chlazení mrazákem θt-θch (°C) qv (W/m2) 29
Rv (m2K/W)
2,3
λ (W/mK)
d (m)
12,61
pozn. chladná 0,04 strana
0,5
Tab. 3 - závislost tepelné vodivosti na teplotním spádu Hodnoty získané měřením ve třetím a čtvrtém týdnu se řádově kolem předpokládaných reálných hodnot pohybují.
70 60 50 40 30 20 10
13.1.2000
13.1.2000
12.1.2000
11.1.2000
11.1.2000
10.1.2000
9.1.2000
8.1.2000
8.1.2000
7.1.2000
6.1.2000
5.1.2000
5.1.2000
4.1.2000
3.1.2000
3.1.2000
2.1.2000
1.1.2000
1.1.2000
-10
1.1.2000
0
Řada1 Řada2 Řada3 Řada4 Řada5 Řada6 Řada7 Řada8 Řada9 Řada10 Řada11 Řada12 Řada13 Řada14
Graf 4 – výsledky měření za pátý a šestý týden, chlazení mrazákem Rv θt-θch (°C) qv (W/m2) (m2K/W) 26 26
2,3 1,7
λ (W/mK)
d (m)
11,30 15,29
0,5 0,5
pozn. chladná 0,04 strana 0,03 teplá strana
Tab. 4 - závislost tepelné vodivosti na teplotním spádu, rozdíl v tepelných tocích na teplé a chladné straně vzorku Hodnoty získané měřením v pátém a šestém týdnu se zdají být nereálně nízké.
10
Doktorský seminář VI.
60 50 40 30 20 10 15.1.2000
14.1.2000
14.1.2000
13.1.2000
12.1.2000
11.1.2000
11.1.2000
10.1.2000
9.1.2000
8.1.2000
7.1.2000
7.1.2000
6.1.2000
5.1.2000
4.1.2000
4.1.2000
3.1.2000
2.1.2000
-20
1.1.2000
-10
1.1.2000
0
-30
Řada1 Řada2 Řada3 Řada4 Řada5 Řada6 Řada7 Řada8 Řada9 Řada10 Řada11 Řada12 Řada13 Řada14
Graf 5 – výsledky měření za sedmý a osmý týden, chlazení mrazákem
θt-θch (°C) qv (W/m2) 27
1,2
Rv (m2K/W)
λ (W/mK)
d (m)
22,5
0,5
pozn. chladná 0,02 strana
Tab. 5 - závislost tepelné vodivosti na teplotním spádu Nepodařilo se mi zjistit, čím je způsobena rozkolísanost alfametru na teplé straně vzorku. Uvažuji pouze hodnoty na chladné straně vzorku získané po ustálení teplotního spádu. Hodnoty tepelné vodivosti jsou nereálně nízké. Tepelný tok zřejmě není uprostřed vzorku orientovaný vertikálně.
50
40
M00: M01: M02: M03: M04: M05: M06: M07: M08: M09: M10:
30
20
10
0 1
28 55 82 109 136 163 190 217 244 271 298 325 352 379 406 433 460 487 514 541 568 595
-10
Graf 6 – výsledky měření za devátý a desátý týden, chlazení mrazákem
11
Wm Wm °C °C °C °C °C °C °C °C °C
Doktorský seminář VI.
θt-θch (°C) qv (W/m2)
λ (W/mK)
Rv (m2K/W) d (m)
15 15
1 12
15,00 1,25
0,5 0,5
0,03 0,40
4 4
2 3,8
2,00 1,05
0,5 0,5
0,25 0,48
pozn. chladná strana teplá strana chladná strana teplá strana
Tab. 6 - Dva intervaly teplotního spádu, dva alfametry, z teplé strany (do vzorku) teče až desetinásobek tepla než z chladné strany (ze vzorku), se zvyšujícím se tepelným spádem tento rozdíl roste
50
40
M00: M01: M02: M03: M04: M05: M06: M07: M08: M00: M01:
30
20
10
9.7.10
8.7.10
8.7.10
7.7.10
7.7.10
6.7.10
6.7.10
5.7.10
5.7.10
4.7.10
4.7.10
4.7.10
3.7.10
3.7.10
2.7.10
2.7.10
1.7.10
1.7.10
30.6.10
30.6.10
29.6.10
29.6.10
29.6.10
-10
28.6.10
0
Wm Wm °C °C °C °C °C °C °C °C °C
Graf 7 – výsledky měření za jedenáctý a dvanáctý týden, chlazení mrazákem Rv θt-θch (°C) qv (W/m2) (m2K/W) 17 17
λ (W/mK)
d (m)
1,1 15,45455 10,1 1,683168
0,5 0,5
pozn. chladná 0,03 strana 0,30 teplá strana
Tab. 7 -Dva alfametry, z teplé strany (do vzorku) teče až desetinásobek tepla než z chladné strany (ze vzorku), se zvyšujícím se tepelným spádem tento rozdíl roste, potvrzuje se předpoklad z předchozího měření Průběhy teplot a tepelných toků nasvědčují skutečnosti, že tepelný tok není ve středu vzorku vertikální, ale že teplo teče do stran. Pomocí by mohlo být kompenzace boků jednoduché skříně přidáním hliníkových plechů po vnitřních stranách zařízení.
4 MĚŘENÍ TEPELNÉ STABILITY V období 11.7.-14.7. 2010 jsem měřil hodnoty teploty vnějšího a vnitřního vzduchu Zahradním domku v Ivanovicích na Hané. Stěny a střecha jsou zatepleny slámou v tenké vrstvě (12,5cm), s hliněnými omítkami cca 1cm. Vnější teploty v tomto období osciovali kolem průměrné teploty 29°C, s maximem 42°C. Průměrná teplota vnitřního vzduchu byla 26°C, maximální 28°C.
12
Doktorský seminář VI.
45 40 35 30 M00: M01: M02: M03: M04:
25 20 15
Wm °C °C °C °C
10 5 14.7.10
14.7.10
14.7.10
14.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
13.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
12.7.10
11.7.10
11.7.10
11.7.10
11.7.10
-5
11.7.10
0
Graf 8 – tepelná stabilita, zahradní domek Ivanovice na Hané V období 14.7.-12.8. 2010 jsem měřil hodnoty teploty vnějšího a vnitřního vzduchu v kritické místnosti slaměného domu v Hradčanech u Tišnova. Stěny a střecha jsou zatepleny slámou ve vrstvě 50cm, s hliněnými omítkami tl. 5cm. Vnější teploty v první části období osciovali kolem teploty 30°C, v chladnějším období od 27.7. pak kolem 26°C. maximální teplota dosáhla 46°C. Teploty vnitřního prostředí oscilovali kolem 28°C v chladnějším období pak kolem 25°C.
50
40
30
M00: M01: M02: M03: M04:
20
10
Wm °C °C °C °C
11.8.10
10.8.10
8.8.10
7.8.10
6.8.10
5.8.10
4.8.10
2.8.10
1.8.10
31.7.10
30.7.10
29.7.10
27.7.10
26.7.10
25.7.10
24.7.10
22.7.10
21.7.10
20.7.10
19.7.10
18.7.10
16.7.10
15.7.10
-10
14.7.10
0
Graf 9 – tepelná stabilita, rodinný dům Hradčany Porovnání měřených hodnot s výsledky počítačové simulace a vyhodnocení budou součástí práce následujícího semestru.
Literatura [1] VVZ MSM 261 100008: Výzkum a vývoj nových materiálů z druhotných surovin a zajištění vyšší trvanlivosti stavebních konstrukcí. (2000) Závěrečná zpráva z roku 2000.
13
