Šírenie tepla a vodnej pary stavebnou konštrukciou - TOB Projekt

Hlavná ponuka:

Šírenie tepla a vodnej pary stavebnou konštrukciou

Simulácie budov

Uvedený počítačový program a výsledky sú súčasťou dizertačnej práce ktorú som vypracoval na Ústave Stavebníctva a Architektúry SAV

1. Úvod
Aby bolo možné posúdiť akúkoľvek stavebnú konštrukciu, je potrebné poznať a zohľadniť všetky dôležité fyzikálne procesy odohrávajúce sa v konštrukcii pri šírení tepla, vzduchu a vlhkosti.
V súčasnosti sú zaužívané predovšetkým stacionárne metódy hodnotenia šírenia vlhkosti. Tieto však nezohľadňujú časový faktor vystavenia stavebnej konštrukcie určitým podmienkam pôsobenia, takisto nepopisujú čo sa ďalej deje so vzniknutým kondenzátom.
S narastajúcim výkonom počítačov viaceré, predovšetkým výskumné organizácie začali vyvýjať špecializované simulačné programy riešiace neustálené spriahnuté šírenie tepla, vlhkosti (v plynnej aj kvapalnej fáze) a niektoré aj vzduchu a solí stavebnými konštrukciami. Tieto programy umožňujú riešiť zložité fyzikálne procesy v stavebných konštrukciách omnoho detailnejšie než zaužívané normami odporúčané postupy. Mnohé z nich sú komerčne k dispozícii, aj keď ich správne využitie vyžaduje dokonalú znalosť všetkých dôležitých parametrov.

Využitie nájdu napr. pri nasledovných aplikáciách:
- detailné hodnotenie stavebno-fyzikálneho zlyhania stavebnej konštrukcie (nadmerná kondenzácia vodnej pary)
- návrh tepelnej zateplenia stavebných konštrukcií zo strany interiéru
- návrh opatrení na ostránenie nevyhovujúceho stavu
- simulácia vysýchania stavbebných konštrukcií, napr.po záplavách či zavlhnutí kondenzáciou

Vo väčšine simulačných programov, riešiacich vlhkostné správanie stavebných konštrukcií, je proces adsorpcie a desorpcie vodnej pary riadený jednou, väčšinou sorpčnou krivkou. V pórovitých materiáloch pre ktoré je typická hysteréza, procesy sorpcie a desorpcie nie sú totožné, obsah vodnej pary je počas desorpcie vyšší pri danej relatívnej vlhkosti. Proces difúzie vodnej pary je riadený tzv. skenovacími krivkami, ležiacimi vždy medzi adsorpčnou a desorpčnou krivkou (Pedersen 1990). Existuje mnoho matematických modelov hysterézneho správania sa pri difúzii vodnej pary.
Z tohto dôvodu som naprogramoval počítačový program rieśiaci spriahnuté šírenie tepla a vodnej pary berúci do úvahy hysterézne správanie pri šírení vlhkosti.

2. Matematický model
Neustálené šírenie tepla stavebnou konštrukciou je popísané nasledovnou diferenciálnou rovnicou

a difúzia vodnej pary

kde:

Kde vlhkostná kapacita je definovaná ako smernica sorpčnej izotermy podľa obrázku:

V použitom matematickom modeli hysterézy sorpcie (Pedersen 1990) je hysterézne správanie zohľadnené sklonom skenovacích kriviek ležiacich medzi hlavnou adsorpčnou a desorpčnou izotermou pre proces desorpcie a adsorpcie vodnej pary v tvare:

Na riešenie uvedených rovníc bol zostrojený v programovacom jazyku FORTRAN simulačný program.

3. Okrajové podmienky výpočtu
Do programu je potrebné definovať nasledovné okrajové podmienky výpočtu

- adsorpčná a desorpčná izoterma pórovitého stavebného materiálu, ako funkcia relatívnej vlhkosti
- funkcia súčiniteľa difúzie vodnej pary v závislosti od relatívnej vlhkosti
- tepelná vodivosť stavebného materiálu
- parametre hysterézneho modelu
- hrúbka stavebnej konštrukcie a jej rozdelenie na množstvo konečných elementov
- hodinové chody okrajových podmienok (teplota a relatívna vlhkosť na oboch stranách stavebnej konštrukcie)
- celkový súčiniteľ prestupu tepla a konvektívna zložka súčiniteľa prestupu tepla (výpočet hodnoty súčiniteľa prestupu tepla)

4. Príklad výstupu programu
Na nasledovnom príklade je uvedená analýza vplyvu hysterézy sorpcie vodnej pary stavebnou konštrukciou. Porobnaný je model hysterézy sorpcie s nasledovnými zjednodušeniami akumulácie vlhkosti: adsorpčná izoterma, desorčná izoterma, stredná krivka medzi ad- a desorpčnou izotermou.

Vypočítaný hodinový chod obsahu vlhkosti v povrchovej vrstve:

Vypočítaný hodinový chod relatívnej vlhkosti v povrchovej vrstve:

Vypočítaný hodinový chod obsahu vlhkosti v hĺbke 1cm pod povrchom:

Vypočítaný hodinový chod relatívnej vlhkosti v hĺbke 1cm pod povrchom:

Vypočítané skenovacie krivky medzi adsorpčnou a desorpčnou izotermou:

Z uvedeného vyplýva predovšetkým významný vplyv hysterézy sorpcie vodnej pary pri stanovení obsahu vlhkosti.

Výstupy z programu - animácia chodu vlhkosti na povrchu

na horizontálnej osy je zobrazená relatívna vlhkosť v %, na vertikálnej osy vlhkosť v kg/m3

Výstupy z programu - animácia chodu vlhkosti v hĺbke 1 cm pod povrchom

Výstupy z programu - animácia chodu vlhkosti v hĺbke 2 cm pod povrchom

Výpočtový program je na požiadanie k dispozícii. Detailnejší opis sa nachádza v dizertačnej práci

Literatúra:

Hens, H.: Heat, air and moisture transfer in insulated envelope parts,Final

report, Task 1 Modelling, Leuven: IEA,1996

Künzel, H.M.: Simultaneous Heat and Moisture Transport in Buildings components, Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 1995

Pedersen C.R. : Combined Heat and Moisture Transfer in Building Constructions. PhD Thesis. Thermal Insulation Laboratory, Technical University of Denmark.

Hansen, K.K.: Sorption isotherms, a catalogue. Department of Civil Engineering. Technical University of Denmark, 1986

MIHÁLKA, P. et.al. Simulation of hysteretic behavior at dynamic moisture response, In: 2008, ISBN 978-80-227-2968-0, 2008, s.110-118.

MIHÁLKA, P. - KORONTHÁLYOVÁ, O. - MATIAŠOVSKÝ, P. - VESELSKÝ, J. - SZABO, D. - PUŠKÁR, A. Dynamická simulácia sorpcie a desorpcie vodnej pary v pórobetóne s hysterézou. In konferencia Vnútorná klíma budov, 2008, ISBN 978-80-89216-26-0, s. 81-86.

MIHÁLKA, P. - MATIAŠOVSKÝ, P. Analysis of moisture hysteresis of building materials in hygroscopic range. In 2009, ISBN 978?80?214?3986?3, 2009, s.101-106