VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ
ELEMENTÁRNÍ ÚLOHY PRO NÁZORNOU DEMONSTRACI SOUČINITELE TEPELNÉ VODIVOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ (S UŽITÍM PŘÍSTROJE ISOMET 2114)
LIBOR MATĚJKA
STUDIJNÍ OPORY
Poděkování Tato literatura vznikla za podpory z grantu FRVŠ G1 930/2012 na Fakultě stavební VUT v Brně.
© … Ing. Libor Matějka, DiS.
Obsah
Obsah 1
Úvod................................................................................................................................................ 1
2
Stručná teorie z oboru tepelné techniky ........................................................................................ 2
3
4
5
2.1
Součinitel tepelné vodivosti ................................................................................................... 2
2.2
Součinitel prostupu tepla a tepelný odpor konstrukce ......................................................... 2
2.3
Teplotní faktor vnitřního povrchu konstrukce a lineární součinitel prostupu tepla.............. 3
Měřící přístroj ISOMET 2114........................................................................................................... 4 3.1
Popis přístroje ........................................................................................................................ 4
3.2
Zjednodušený návod k ovládání............................................................................................. 6
3.3
Princip měřící metody ............................................................................................................ 6
Elementární úlohy........................................................................................................................... 6 4.1
Úvodní slovo k úlohám........................................................................................................... 6
4.2
Úloha č. 1 – Měření tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů .................................... 7
4.3
Úloha č. 2 – Měření tepelné vodivosti konstrukčních materiálů ........................................... 8
Závěr ............................................................................................................................................. 10
Seznam použité literatury ..................................................................................................................... 11
1 Úvod Vzhledem ke stále se zpřísňujícím tepelně technickým požadavkům norem ČSN je v dnešní době otázka vývoje a aplikace tepelně izolačních materiálů velkým tématem. U nízkoenergetických a pasivních staveb, které se staly jedním z moderních způsobů bydlení, je důležitost těchto materiálů ještě výraznější. Při volbě tepelně izolačního materiálu pro aplikaci na stavební konstrukci je nutné zvážit jeho požadované vlastnosti, které se u jednotlivých typů zásadně liší. Nejpodstatnějšími vlastnostmi u těchto materiálů jsou tepelná vodivost a nasákavost. Cílem této literatury je nedestruktivní měřicí metodou demonstrovat studentům odlišnou tepelnou vodivost stavebních materiálů vzhledem k laboratorním hodnotám udávaných výrobcem a skutečným (výpočtovým) hodnotám při aplikaci na stavbě. K měření je užit přenosný přístroj ISOMET 2114. Součástí této publikace je webová stránka na adrese http://tri-m.fce.vutbr.cz/index.html, kde jsou k nalezení další rozšiřující informace, naměřená data apod.
1
2 Stručná teorie z oboru tepelné techniky 2.1 Součinitel tepelné vodivosti Jedná se o konstantu úměrnosti materiálu, která udává číselně množství tepla, které projde za jednotku doby krychlí o jednotkové hraně mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 °K, jsou-li ostatní stěny krychle dokonale tepelně izolovány. [1] λ
součinitel tepelné vodivosti ve W/mK.
2.2 Součinitel prostupu tepla a tepelný odpor konstrukce Součinitel prostupu tepla U je normou ČSN 73 0540-1 definován vztahem:
U=
1 [W/m2K] RT
(1)
je odpor konstrukce při prostupu tepla (z prostředí do prostředí) kde RT v [m2K/W] a v normě ČSN 73 0540-1 je dále definován vztahem:
RT = Rsi + R + Rse [m2K/W] (2) kde
Rsi
je odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce v m2K/W,
R
je odpor konstrukce v m2K/W,
Rse
je odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce m2K/W.
Norma ČSN 73 0540-1 dále definuje tyto tepelné odpory vztahy:
Rsi =
1 [m2K/W] hi
(3)
Rse =
1 [m2K/W] he
(4)
[m2K/W]
(5)
R= kde
d
λ
hi
je součinitel přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce ve W/m2K,
he
je součinitel přestupu tepla na vnější straně konstrukce ve W/m2K,
d
je tloušťka vrstvy v konstrukci v m,
λ
je součinitel tepelné vodivosti ve W/mK.
2
2.3 Teplotní faktor vnitřního povrchu konstrukce a lineární součinitel prostupu tepla Definici teplotního faktoru vnitřního povrchu fRsi uvádí norma ČSN 73 0540 takto:
f Rsi = 1 − kde
θ ai − θ si [-] θ ai − θ e
(6)
θai
je návrhová teplota vnitřního vzduchu v °C,
θsi
je vnitřní povrchová teplota konstrukce v °C,
θe
je návrhová teplota venkovního vzduchu v °C.
Tento teplotní faktor musí splňovat podmínku fRsi ≥ fRsi,N, kde fRsi,N je požadovaná teplota nejnižšího teplotního faktoru vnitřního povrchu a platná definice je:
f Rsi , N = f Rsi ,cr + ∆f Rsi [-] kde
(7)
ΔfRsi
je bezpečnostní přirážka teplotního faktoru,
fRsi,cr
je kritický teplotní faktor vnitřního povrchu.
Kritický teplotní faktor vnitřního povrchu je definován takto:
f Rsi ,cr = 1 − kde
237,3 + 2,1 ⋅ θ ai 1 ⋅ [-] θ ai − θ e 1,1 − 17,269 / ln(ϕ i / ϕ si ,cr )
φi
je relativní vlhkost vnitřního prostředí,
φsi,cr
je kritická vnitřní povrchová vlhkost.
(8)
„Lineární činitel prostupu tepla vyjadřuje rozdíl mezi výpočtem prostupu tepla klasickým jednoduchým přibližným postupem a uvažováním prostupu tepla jen jednotlivými konstrukcemi. Pro snazší práci se jednotlivé tepelné vazby stanovují samostatně, mohou se tedy i samostatně hodnotit.“ [6] Pro konstrukční detaily, na které mají vliv výlučně dvě okrajové teploty, se lineární činitel prostupu tepla určí z následujícího vztahu:
ψ = L − ∑U j ⋅ b j [W/mK] kde
(9)
L
je vypočtená tepelná propustnost ve W/mK,
Uj
je součinitel prostupu tepla j-té konstrukce ve W/m2K,
bj
je šířka j-té konstrukce v m.
3
3 Měřící přístroj ISOMET 2114 3.1 Popis přístroje Měřící přístroj ISOMET 2114 slouží k měření tepelně technických veličin čítajících tepelnou vodivost materiálu λ [W/mK], objemovou tepelnou kapacitu ρc [J/m3K] a teplotní vodivost a [m2/s]. Měření lze provádět na široké škále stavebních materiálů. Vestavěný systém menu na barevném grafickém displeji a s alfanumerickou klávesnicí umožňují efektivní a interaktivní komunikaci se zařízením. Obsah paměti může být převeden do PC pomocí komunikačního softwaru přes USB nebo RS-232 rozhraní. Na Obr. 1 je zobrazen čelní panel přístroje pro seznámení se s funkcí kláves. Legenda k obrázku je rozepsána přehledně v Tab. 1.
Obr. 1 - Přístroj ISOMET 2114 - čelní panel [2]
4
1
Display - barevný, grafický display
9
Funkční klávesy - rychlý přístup k funkcím
2
Impulsní LED světlo - červené světlo vstupního impulsu
10
Indikátor nabíjení baterií - zelené LED světlo indikuje nabíjení
3
Alfanumerická klávesnice - klávesy 0 - 9 11 (a - z)
Výběrové klávesy - šipky s tlačítkem OK
4
ESC klávesa - zrušení/ukončení funkcí
12
PgUp klávesa - stránkování nahoru
5
Exp klávesa - klávesa pro zadání exponenciál
13
PgDn klávesa - stránkování dolu
6
Shift klávesa - přepínání funkce kláves
14
Del klávesa - mazání
7
Klávesa pro zapnutí a vypnutí přístroje
15
OK klávesa - potvrzení výběru
8
Klávesa znaménka - vložení znaku +/-
16
Klávesa pro desetinou čárku
Tab. 1 - Popis ovládacích kláves k Obr. 1
Než přístroj zapneme, připojíme měřící sondu (Obr. 2). Pro tvrdé stavební materiály (tvárnice, beton, polystyren, dřevo apod.) využijeme povrchový typ sondy. Pro materiály sypké, měkké a jinak nesoudržné hmoty (minerální vlna, PU pěna, zemina apod.) užijeme jehlové sondy. Minimální tloušťka vrstvy měřeného materiálu je 20 - 40 mm v závislosti na tepelné vodivosti materiálu.
Obr. 2 - Připojení měřící sondy k přístroji [2]
5
Přesnost měření tepelné vodivosti je 0,001 W/mK. Nejistota měření je ±(5 % z měřené hodnoty + 0,001 W/mK).
3.2 Zjednodušený návod k ovládání Po zapnutí přístroje dojde ke krátké inicializaci a nahrání informací z připojené měřící sondy. Start měření tepelné vodivosti materiálu zahájíme klávesou F1. Po změření lze výsledky prohlédnout stisknutím klávesy F2. Výsledky je možné následně smazat. Pokud si přejete právě probíhající měření ukončit, stiskněte klávesu F1 a potvrďte klávesou F5. Klávesou F4 lze prohlížet všechny uložené výsledky v databázi měřícího přístroje. Klávesou F2 měření urychlíme, pokud nechceme vyčkávat na kalibraci dosažením tepelné rovnováhy. Stav měření je neustále zobrazován na displeji přístroje. Menu, které lze vyvolat stiskem klávesy F5, umožňuje vstup do nastavení přístroje, zobrazení databáze naměřených výsledků, zobrazení informace o zařízení a kalibraci zařízení.
3.3 Princip měřící metody Princip měření je založen na analýze průběhu časové závislosti teplotní odezvy na impulsy tepelného toku ze sondy do materiálu. Tepelný tok vzniká rozptýleným elektrickým výkonem v odporu sondy. Její povrch je tepelně vodivě spojen s měřeným materiálem. Teplota odporu je snímána polovodičovým snímačem. Průběh teploty jako funkce času je v diskrétních bodech vzorkován a těmito vzorky jsou proloženy regresní polynomy matematickou metodou „nejmenších čtverců”. Koeficienty regresních polynomů potom slouží k výpočtu termofyzikálních parametrů pomocí analytických vztahů. [3]
4 Elementární úlohy 4.1 Úvodní slovo k úlohám Ukázkové úlohy jsou koncipovány takovým způsobem, aby studenty ve cvičení názorně seznámili s tepelně technickou vlastností stavebních materiálů – tepelnou vodivostí λ [W/mK]. Tuto fyzikální veličinu ovlivňuje především vlhkost spojená s nasákavostí daného materiálu. Čím více je materiál nasáklý vodou, tím větší a tedy horší je jeho tepelná vodivost. Většina výrobců udává u svého stavebního produktu pouze tzv. charakteristickou hodnotu tepelné vodivosti, která téměř nikdy neodpovídá skutečné hodnotě (návrhové). Charakteristická hodnota je změřena laboratorně za určitého stálého prostředí. Tedy veličinu v charakteristické podobě můžeme aplikovat při výpočtu pouze tehdy, je-li materiál užit ve vnitřním prostředí stavby. Pokud však materiál zabudujeme ve vnějším prostředí, musíme do vstupních dat výpočtu dosadit hodnotu tepelné vodivosti v jejím návrhovém tvaru. V případě, že je materiál v kontaktu s vlhčím vnitřním prostředím (část. tlak vodní páry nad 1538 Pa), je nutné tepelnou vodivost stanovit výpočtem – buď podle ČSN 730540-3, nebo podle ČSN EN ISO 10456. Na stavbách se však v mnohých případech neustále setkáváme s velmi špatným přístupem ke skladování stavebních materiálů (Obr. 3), které nejsou dostatečně chráněny před negativními vlivy atmosférických podmínek, především dešťových srážek a jinak působící vlhkosti. Kromě toho nejsou často splněny klimatické podmínky při aplikaci stavebního výrobku, které udává sám výrobce. I při neodborné manipulaci, která není jen výjimkou, dochází k poškození materiálu, které může ovlivnit jeho tepelně technické vlastnosti. S tím vším je nutné při návrhu skladby jednotlivých vrstev počítat
6
již v přípravě projektu a následné projekci. Opravy defektů způsobených nedostatečným zaizolováním stavební konstrukce po dokončení stavby jsou ekonomicky velmi nákladné. Také z environmentálního hlediska jsou následné opravy neefektivní a přitom jim lze mnohdy snadno předejít.
Obr. 3 - Skladování tepelně izolačních materiálů na stavbě (fotoarchív Ing. Sylvia Svobodová)
4.2 Úloha č. 1 – Měření tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů V této úloze se přesvědčíme, jak negativně ovlivňuje vlhkost a nasákavost tepelnou vodivost některých tepelně izolačních stavebních materiálů. Některé materiály zabraňující úniku tepla z interiéru jsou náchylné na vlhkost. Nemusí se přitom jednat vždy o přímý kontakt s vodou. Pokud dojde v konstrukci ke kondenzaci vodních par a prostor uložení materiálů je nevětraný, nastává ještě složitější problém, který se může projevit na povrchu konstrukcí až po delší době. Příprava – Vzorky izolačních materiálů (polystyren EPS (vhodné je připravit různé druhy), XPS, minerální vlna); Postup – Připraví se dva vzorky ze stejného materiálu se shodnou tloušťkou, první se ponechá před měřením cca 2 hod (dobu lze podle potřeby a typu materiálu zkracovat) ponořen ve vodě, druhý zůstane v prostředí vnitřního klimatu s běžnou vlhkostí do 50 %, oba vzorky by měly být měřeny za přibližně stejné teploty; U materiálu minerální vlny postačí vzorek ponořit pouze na časový úsek několika minut; Dotazy pro studenty – podle výběru měřených vzorků jednotlivých materiálů lze studentům na provedených experimentech pomocí diskuze s dotazy a odpověďmi vysvětlit následující: 1) Polystyren EPS je nasákavý, oproti minerální vlně však méně. Přesto je nutné dbát na to, aby nevznikala kondenzace vodních par ve vrstvě stavební konstrukce, kde je uložen. Tepelnou vodivost dále ovlivňuje i objemová hmotnost izolačního materiálu. 2) Polystyren EPS šedý má příznivější tepelnou vodivost a svou specifickou barvu z důvodu obsahu grafitu, který vylepšuje jeho tepelně izolační vlastnosti.
7
3) Polystyren XPS není pro vodu v kapalném skupenství nasákavý. Proto se využívá např. při návrhu tzv. „obrácené” ploché střechy. To však neplatí při nasáknutí vodními parami. Je tedy nutné dbát na dodržení zásad návrhu konstrukčního souvrství pro splnění podmínek při kondenzaci vodních par. 4) Tepelná izolace z minerální vlny, která je jedním z nejnasákavějších materiálů, má vynikající protipožární vlastnosti. Proto je hojně využívána podle předpisů normy ČSN 73 0802 (pro nevýrobní objekty) a ČSN 73 0804 (pro výrobní objekty). Často bývá tzv. „výplňovým” materiálem mezi nosnými konstrukcemi, kde pro své tvárné vlastnosti zcela vyplní požadovaný prostor (zateplení mezi krokvemi, sloupky apod.). Pro její vysokou nasákavost, je nutné ji chránit vrstvou parozábrany.
4.3 Úloha č. 2 – Měření tepelné vodivosti konstrukčních materiálů Tato úloha je zaměřena na ukázku vlivu vlhkosti na běžné konstrukční materiály opět po tepelně technické stránce. Abychom z těchto materiálů mohli bezpečně stavět a využívat jejich vhodného působení na vnitřní klima budov, je zapotřebí bránit pronikání vlhkosti a jejich následné degradaci, příp. snížení trvanlivosti. Toho docílíme vhodným užitím hydroizolačních a parobrzdných materiálů. Příprava – Vzorky konstrukčních materiálů (vhodný dřevěný prvek, pórobetonová tvárnice příp. keramická tvárnice); Postup –
Připraví se dva vzorky ze stejného materiálu se shodnou tloušťkou, první se ponechá před měřením cca 2 hod ponořen ve vodě, druhý zůstane v prostředí vnitřního klimatu s běžnou vlhkostí do 50 %, oba vzorky by měly být měřeny za přibližně stejné teploty, u vhodně zvoleného dřevěného prvku lze měření provést kolmo a rovnoběžně s vlákny;
Dotazy pro studenty – podle výběru měřených vzorků jednotlivých materiálů lze studentům na provedených experimentech pomocí diskuze s dotazy a odpověďmi vysvětlit následující: 1) Dřevo je vysoce nasákavý materiál a ve stavební konstrukci je nutné jej chránit. Při jeho vlhnutí se snižují nejen tepelně technické parametry, ale i statické a může docházet k rozrušování struktury materiálu následným účinkem plísní a hub. Dřevo, které je v konstrukci zabudováno bez možnosti přístupu, by mělo být vždy naimpregnováno. 2) Rozdílnou hodnotu tepelné vodivosti kolmo a rovnoběžně s vlákny způsobuje anizotropie anatomické struktury dřeva. 3) Pórobetonové i keramické zdící tvarovky jsou nasákavé. Pokud z takového materiálu navrhujeme sklepní prostory a jiná podzemní podlaží, je nutné materiál vždy chránit hydroizolační vrstvou, takovou vrstvou chráníme i první nadzemní podlaží v úrovni podlahy a tuto vrstvu ještě vytahujeme po fasádě dle předpisu normy ČSN 73 0600 Hydroizolace staveb - Základní ustanovení min. 300 mm nad okolní terén. Zrovna tak je nutné dbát na důsledné řešení 8
konstrukčních detailů např. při ukončení pláště plochých střech v návaznosti na vertikální nosnou konstrukci (aplikace oplechování, správné vytažení hydroizolační vrstvy apod.).
9
5 Závěr Tento studijní a cvičební text byl koncipován pro vyučující ve vhodných cvičeních, v kterých se studenti seznamují se stavebními materiály, především tepelným izolanty. Názorným způsobem tak nabydou znalostí z oblasti tepelně technických vlastností jednotlivých stavebních produktů. Ukázkové úlohy uvedené v této literatuře je vhodné kombinovat a nadále rozšiřovat dle potřeb vyučovaných předmětů. Měřící přístroj ISOMET 2114 je vhodný pro takovéto experimenty ve cvičení vzhledem ke své mobilitě a krátkému časovému úseku měření. Vzorové úlohy lze aplikovat pro předměty Nauka o pozemních stavbách, Pozemní stavitelství I-III., Tepelná technika budov, Vybrané stati z pozemního stavitelství apod. v jejich cvičebních formách, popř. i při přednáškách na toto téma zaměřených. Student by si měl být vědom materiálových vlastností stavebních hmot a orientovat se v nich, aby jich užil vždy vhodně nejen ve školních projektech, ale následně i ve své budoucí praxi.
10
Seznam použité literatury [1] HORÁK, Z., KRUPKA, F. Fyzika – Příručka pro vysoké školy technického směru, Svazek 1. Praha: SNTL, 1976. 424 s. ISBN 04-011-76.
[2]ISOMET 2114 – Thermal properties analyzer, User’s Guide. Bratislava. [3] Centrum experimentální geotechniky, ČVUT v Praze, Fakulta stavební. http://ceg.fsv.cvut.cz/vyzkum/zkousky/tepelne-vlastnosti/tepelne-vlastnosti
11
