TEDI in U-Wert - Gradbena fizika
Transcription
TEDI in U-Wert - Gradbena fizika
Univerza 2. stopnja v Ljubljani MagistrskiprogramStavbarstvo Fakulteta MAST za gradbeništvo in geodezijo KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA PRIMERJAVA IZRAČUNA S PROGRAMSKIM ORODJEM Z ANALITIČNIM IZRAČUNOM Izdelali: Miha Marinič, Barbara Miko in Luka Pajek Ljubljana, 17.12.2013 KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek 1 UVOD V seminarski nalogi smo med seboj primerjali izračune toplotne prehodnosti, difuzije vodne pare in toplotne stabilnosti (temperaturno dušenje in temperaturna zakasnitev). Za izbrane vhodne podatke smo najprej analitično izračunali toplotno prehodnost in difuzijo vodne pare, nato pa smo iste podatke vnesli v računalniški programsko orodje TEDI ter spletni program UWert. Ker računalniška programa izračunata tudi vrednosti toplotne stabilnosti, smo primerjali še te rezultate. Namen naloge je bil preveriti, če je analitični izračun primerljiv z računalniškima, ter kakšne, če so, so razlike med njimi. 2 UPORABLJENI PROGRAMSKI ORODJI 2.1 TEDI Program so razvili na Katedri za stavbe in konstrukcijske elemente na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani. Namenjen je računu toplotne prehodnosti, analizi toplotnega prehoda in difuzije vodne pare skozi večplastne konstrukcijske sklope po Pravilniku o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije v stavbah, SIST EN ISO 6946, SIST EN ISO 10211-1 in SIST 1025:2002. 2.2 U-WERT U-WERT je prosto dostopen program na spletni strani www.u-wert.net, ki ga je leta 2011 razvil nemški fizik Ralf Plag. 3 VHODNI PODATKI Preglednica 1: Vhodni podatki konstrukcijskega sklopa OPEKA KAMENA VOLNA CEMENTNA MALTA d [m] 0.3 0.12 0.02 ρ [kg/m3] 800 180 2100 c [kJ/kgK] 920 840 1050 λ [W/mK] 0.76 0.039 2.1 μ [/] 12 1 30 Preglednica 2: Notranje in zunajne razmere Notranje razmere Zunanje razmere Preglednica 3: Vrednosti prestopnih koeficientov hnotri [W/m2K] 2 Tnotri [°C] 20 Tzunaj [°C] -5 rnotri [%] 60 rzunaj [%] 90 hzunaj [W/m K] 8 20 KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek CEMENTNA MALTA hnotri Notri Zunaj Tn = 20°C Tz = -5°C rnotri = 60 % Rzunaj = 90 % hzunaj OPEKA KAMENA VOLNA Slika 1: Konstrukcijski sklop KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek 3.1 VSTAVLJANJE PODATKOV V PROGRAMA TEDI IN U-WERT 3.1.1 Tedi Slika 2: Definiranje vrste konstrukcijskega sklopa, teperature in relativne vlažnosti Slika 3: Definiranje konstrukcijskega sklopa KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek 3.1.2 U-Wert Slika 4: Vstavljanje vhodnih podatkov 4 IZRAČUN 4.1 Toplotna upornost Spodnja preglednica prikazuje vrednosti toplotnega upora, izračunanega analitično ter s programom U-Wert. Računalniški program TEDI v rezultatih ne pokaže teh vrednosti. Preglednica 4: Toplotna uporanost R [m2K/W] VRSTA IZRAČUNA TERMIČNA PLAST (NOTRI) OPEKA KAMENA VOLNA CEMENTNA MALTA TERMIČNA PLAST (ZUNAJ) ANALIT. RAČUN U-WERT 0.130 0.395 3.077 0.010 0.040 0.130 0.395 3.077 0.010 0.040 Iz preglednice lahko opazimo, da nam analitični izračun in programski izračun podata enake vrednosti toplotne upornosti. 4.2 Toplotna prehodnost V vseh treh primerih izračuna toplotne prehodnosti U, je le-ta U = 0,27 W/m2K, kar ustreza zahtevam PURES 2010, kjer je Umax = 0,28 W/m2K. Kot zanimivost velja omeniti, da konstrukcijski sklop ne ustreza zahtevam, ki po Energie-Einsparverordnungen (EnEV) 2009 zahteva Umax = 0,24 W/m2K! Torej program U-WERT označi ta konstrukcijski sklop kot neustrezen. KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek 4.3 Temperatura na stikih plasti Spodnja preglednica prikazuje minimalne in maksimalne temperature v plasteh izračunane analitično ter s programoma U-Wert in TEDI. Preglednica 5: Temperatura na stikih plasti Tmin [°C] VRSTA IZRAČUNA TERMIČNA PLAST (NOTRI) OPEKA KAMENA VOLNA CEMENTNA MALTA TERMIČNA PLAST (ZUNAJ) Tmax [°C] ANALIT. RAČUN U-WERT TEDI ANALIT. RAČUN 19.15 19.1 19.1 16.45 -4.62 -4.65 16.4 -4.7 -4.7 -5.0 -5.0 U-WERT TEDI 20.00 20.0 20 16.4 -4.6 -4.6 19.15 16.45 -4.62 19.1 16.4 -4.7 19.1 16.4 -4.6 -5.0 -4.6 -4.7 -4.7 Iz preglednice 5 vidimo, da razlike med analitičnim računom in računalniškima programoma skoraj ni. Manjša razlika je le v plasti cementne malte, kar je najverjetneje posledica zaokroževanja. Spodnja slika prikazuje potek temperature, ki ga dobimo z analitičnim izračunom in programom TEDI na istem grafu, ter graf poteka temperature programa U-Wert Slika 5: Potek temperature (analitično (modra) + TEDI (rdeča)) Slika 6: Potek temperature U-Wert Iz zgornjih slik lahko vidimo da sta temperaturna poteka skoraj identična, prednost izrisa grafa poteka temperature je v tem, da nam zriše tudi spremembo zaradi vpliva termičnih plasti. Le-to smo morali na sliki 5 predvideti sami. KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek 4.4 Difuzija vodne pare in kondenzacija 4.4.1 Analitični izračun Ri A = 0,65 Ropeka Rkamena volna = 5,54 = 0,18 Rmavčna plošča = 0,92 Rskupni = 6,65 Delni parni tlak Pv (20°C) = 2330 Pa * 0,6 = 1398 Pa Pv (-5°C) = 401,76 Pa * 0,9 = 364,58 Pa Ker imata termični plasti difuzijsko upornost µ=0, velja: Pv (20°C) = Pv (19,15°C) = 1398 Pa Pv (-5°C) = Pv (-4,65°C) = 364,58 Pa j = 0,0001558 Nasičeni parni tlak smo pri danih temperaturah izračunali z Clausius-Clapeyronvi enačbi : pn (T’=293 K) = 2330 Pa pn (T) = pn (T’) * Pri čemer je T poljubna temperatura (podana v kelvinih) in: M = 18 kg qi = 2500000 J/kg R = 8300 J/K Izračun delnih in nasičenih parnih tlakov pri posamezni temperaturi so podani v preglednici 6 . KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek Preglednica 6: Izračun delnih in nasičenih parnih tlakov pri posamezni temperaturi x (m) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 T (°C) 19.15 19.06 18.97 18.88 18.79 18.70 18.61 18.52 18.43 18.34 18.25 18.16 18.07 17.98 17.89 17.80 17.71 17.62 17.53 17.44 17.35 17.26 17.17 17.08 16.99 16.90 16.81 16.72 16.63 16.54 16.45 14.70 12.94 11.19 9.44 7.68 5.93 4.18 2.42 0.67 -1.08 -2.84 -4.59 -4.62 -4.65 Pv (Pa) 1398 1369.22 1340.44 1311.67 1282.89 1254.11 1225.33 1196.56 1167.78 1139.00 1110.22 1081.44 1052.67 1023.89 995.11 966.33 937.55 908.78 880.00 851.22 822.44 793.67 764.89 736.11 707.33 678.55 649.78 621.00 592.22 563.44 534.66 532.27 529.87 527.47 525.07 522.67 520.28 517.88 515.48 513.08 510.68 508.28 505.89 433.94 362.00 Pn (Pa) 2207.877 2195.291 2182.769 2170.311 2157.916 2145.584 2133.316 2121.11 2108.966 2096.885 2084.865 2072.907 2061.01 2049.174 2037.399 2025.684 2014.03 2002.435 1990.9 1979.424 1968.008 1956.65 1945.351 1934.11 1922.927 1911.802 1900.734 1889.724 1878.771 1867.874 1857.034 1656.707 1475.923 1312.993 1166.355 1034.561 916.2776 810.2722 715.4099 630.6467 562.67 482.59 415.77 415.06 414 4.4.2 Primerjava analitičnega izračuna s programoma TEDI Preglednica 7 prikazuje vrednosti nasičenega parnega tlaka pri temperaturi 20°C (notranji zrak) in 5°C (zunanji zrak). Vidimo, da program TEDI vzame malenkost višje vrednosti (za 0,3 %) za nasičene parne tlake na notranji strani ter za 0,2 % manjše vrednosti za zunanji zrak. Pričakovali smo podobna KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek odstopanja med rezultati vrednosti delnega in nasičenega parnega tlaku tudi med posameznimi plastmi. Program U-Wert nam vrednosti parnih tlakov ne poda. Preglednica 7: Nasičeni parni tlak Nasičeni parni tlak [Pa] Analitični izračun TEDI Notranji zrak [Pa] Zunanji zrak [Pa] 2330 401,76 2337 401 Spodnja preglednica prikazuje vrednosti delnega in nasičenega parnega tlaka na notranji in zunanji strani. Posamezne plasti smo označili s številkami 1 (notranja plast opeke), 2 (plast med opeko in toplotno izolacijo), 3 (plast med toplotno izolacijo in cementnim ometom), 4 (zunanja plast cementnega ometa). Preglednica 8: Delni in nasičeni parni tlak v plasteh Plast 1 2 3 4 Delni parni tlak [Pa] Analitični izračun 1398 534.66 505.89 362.00 TEDI 1402,2 360,9 Nasičeni parni tlak [Pa] Analitični izračun TEDI 2207.877 2211,3 1857.034 1865,6 415.77 413,8 414 410,4 Program TEDI ne poda delnih parnih tlakov med plastmi, poda nam vrednosti na notranji in zunanji strani konstrukcijskega sklopa. Razlika med izračunoma delnih parnih tlakov na notranji strani je 0,3 %, na zunanji strani pa za 0,5%. Pri analitičnem izračunu smo za negativne temperature interpolirali vrednosti med 0°C in -5°C, zato se je razlika na zunanji strani iz 0,2% povečala na 0,5%. Vseeno pa lahko rečemo da smo pri izračunu uporabljali enake formule. Enaka situacija je pri vrednostih nasičenih parnih tlakov. V spodnji preglednici so na slikah prikazani grafi poteka delnega in nasičenega parnega tlaku. Pri analitičnem izračunu in pri programu TEDI je na grafu označen potek delnega in nasičenega parnega tlaka (na ordinatni osi so vrednosti tlaka). Program U-Wert ne prikaže vrednosti nasičenega parnega tlaka neposredno, temveč nam na dva načina prikaže potek vlažnosti: na grafu temperaturnega poteka (glede na spreminjanje temperature čez konstrukcijski sklop je prikazan potek rosišča), ter na grafu poteka relativne vlažnosti po konstrukcijskem sklopu. KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek Preglednica 9: Slike poteka parnih tlakov, ter točk rosišča Slika 7: Potek nasičenega in delnega parnega tlaka analitičen izračun Slika 8: Potek nasičenega in delnega parnega tlaka – TEDI Slika 9: Potek nasičenega parnega tlaka glede na temperaturo - U-Wert Slika 10: Potek relativne vlažnosti čez konstrukcijski sklop Iz preglednice vidimo, da analitičen izračun ter izračun s programoma izračunata, da bo v tem konstrukcijskem sklopu prišlo do kondenzacije. Program U-Wert nam označi območje kondenzacije z modro barvo (slika 9). Program TEDI izriše potek delnih in nasičenih parnih tlakov linearno, kar je slabost tega izrisa in izračuna! 4.4.3 Nastanek kondenza Oba programa prikažeta nastanek kondenza v konstrukciji. Razlika nastane samo v potrebnem času izsušitve konstrukcijskega sklopa. Program TEDI napiše, da kondenz nastaja v 2.sloju, material kamena volna in ne poda koliko dni je potrebnih za njegovo izsušitev. Program U-Wert pa nam poda, da se v zimskem času (60 dni) nabere 0,222 kg/m2 rose, ki pa se izsuši v poletnem obdobju v 17ih dneh. Slika 11: Opis rezultatov programa U-Wert KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek Slika 12: Rezultati programa TEDI 4.5 Toplotna stabilnost Toplotna vsebuje rezultate temperaturnega dušenja in temperaturne zakasnitve. Toplotne stabilnosti analitično nismo računali, preverili smo samo njuna rezultata v programih TEDI in U-Wert. Slika 13: Prikaz temperaturne zakasnitve U-Wert Slika 14: Rezulati toplotne stabilnosti TEDI Slika 15: Rezultati toplotne stabilnosti U-Wert Slike 13, 14 in 15 nam prikazujejo rezultate toplotne stabilnosti. Program U-Wert nam tudi nariše graf, kjer je označena temperaturna zakasnitev. Vidimo, da sta izračunani vrednosti temperaturne zakasnitve podobni in sicer 15,57 ur pri programu TEDI ter 15,8 ur pri programu U-Wert. Veliko večja je razlika pri temperaturnem dušenju, tega pojava pa zaradi izostanka analitičnega izračuna ne moremo komentirati. 5 ZAKLJUČEK V seminarski nalogi smo preverjali podobnosti med izračuni za toplotno prehodnost, difuzijo vodne pare in toplotno stabilnost (temperaturno dušenje in temperaturna zakasnitev). Razen pri temperaturi zakasnitve, kjer je bila razlika v izračunih skoraj za faktor 2, so rezultati med seboj primerljivi. Oba uporabljena programa sta enostavna za uporabo in nam podata pregledne rezultate. Prednost bi na tem mestu vseeno dali na spletu prosto dostopnemu programu U-Wert. Njegova prednost, poleg tega da je brezplačen, je v tem da sproti izrisuje konstrukcijski sklop, ki ga obravnavamo. Slabost tega programa je predvsem v tem, da še ni v celoti preveden v angleški jezik. KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek DODATEK V dodatek smo dodali primer konstrukcijskega sklopa, ki smo ga računali na vajah. Sestavljen konstrukcijski sklop iz nosilne konstrukcije sestavljene iz opeke (λ = 0,4 W/mK, d = 0,3 m), ki je vsakih 0,8 m prekinjena z 0,2 m smreke (λ = 0,13 W/mK, d = 0,2 m) in toplotne izolacije iz ekspandiranega polistirena (λ = 0,04 W/mK, d = 0,1 m). Dobljene rezultate smo primerjali z analitičnim izračunom in izračunom iz programa Comfen 4.1 (Pintar N., Program Comfen 4.1). Slika 16: Konstrukcijski sklop Vnos konstrukcijskega sklopa poteka na način, da najprej vnesemo prevladujoče elemente, nato pa s funkcijo “Balken einfügen” vnesemo še vmesni element. Slika 17: Vnos konstrukcijskega sklopa Slika 18: Vnos podatkov smreke Spodnji sliki prikazujeta končni sestavljeni konstrukcijski sklop z rezultatom toplotne prehodnosti (slika 19) in skupne vrednosti, ter vrednosti posamezne plasti toplotne upornosti (slika 20). Slika 19: Sestavljen konstrukcijski sklop KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek Slika 20: Prikaz rezulatov tabelarično Če primerjamo rezultate dobljene z analitičnim izračunom ter programoma Comfen 4.1 in U-Wert ne opazimo velikih razlik med njimi. Dodatno nam U-Wert zriše še temperaturni potek in točke rosišča čez konstrukcijski sklop (slika 21 in slika 22). Prečna črta označena na konstrukcijskem sklopu nam prikazuje za kateri presek je izrisan temperaturni potek. Slika 21: Prerez temperaturnega poteka 1 Slika 22: Prerez temperaturnega poteka 2 KONSTRUKCIJSKA GRADBENA FIZIKA 2013/2014 Marinič, Miko, Pajek Na sliki 23 imamo 2D prikaz poteka temperature skozi konstrukcijski sklop, ter potek relativne vlažnosti. Slika 23: 2D prikaz rezultatov