Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
ANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ
OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Ing. Ondřej Fuciman
Vysoké učení technické v BrněFakulta stavební
Ústav pozemního stavitelství
Doktorská disertační práce
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
OBSAH
1. Současný stav problematiky
2. Cíl disertace
3. Metody a postupy zpracování
4. Výsledky disertace
5. Závěry
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY
Šíření vlhkosti v pórovitých látkách
Vliv vlhkosti na stavební materiály
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
ŠÍŘENÍ VLHKOSTI V PÓROVITÝCH LÁTKÁCH
Difúze vodních par
]..[..
1. 12 smkg
dx
dp
Ndx
dpq ddd
Hustota difúzního toku:
Vodivost vlhkosti
]..[...... 12
smkg
dx
dT
dx
du
dx
dpq tsm
msm
dw
]..[.... 12 smkgdx
dT
dx
duq tsm
msmt
Pohyb kapalné vlhkosti při gradientu teploty i vlhkosti:
Difúze vodních par současně s vodivostí vlhkosti
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
VLIV VLHKOSTI NA STAVEBNÍ MATERIÁLY
Vliv vlhkosti na součinitel tepelné vodivosti
Polystyren:
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
CÍL DISERTACE
Lokalizace oblastí vzniklé vlhkostiZpřesnění tepelně technických výpočtů
Vliv vlhkosti na hodnotu součinitele tepelné vodivosti
Nestacionární řešení, zvyšování efektivního
součinitele prostupu tepla
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
METODY A POSTUPY ZPRACOVÁNÍ
Okrajové podmínky
Průběh teplot, průběh parciálního tlaku vodních par, průběh parciálního tlaku nasycených vodních par
Roční bilance zkondenzované a vypařené vodní páry
Tepelná vodivost materiálů
Kapilární vodivost kapalné vlhkosti
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
OKRAJOVÉ PODMÍNKY
Vnitřní prostředí:
Vnější prostředí:
Podle ČSN 06 0210
Metody CSN, CSN*, ISO, ISO*
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
PRŮBĚHY
Průběh teplot:
Průběh parciálních tlaků vodních par:
Ux
Rtttt sieiix ..
x
x
t
t
d ep 5,265
.875,21
.5,610"
x
x
t
t
d ep 3,237
.269,17
.5,610"
U
RRttt
UR
Rttt
d
dxsieii
dxsieii
ep.
..5,265
..
..875,21
.5,610"
U
RRttt
UR
Rttt
d
dxsieii
dxsieii
ep.
..3,237
..
..269,17
.5,610"
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
ROČNÍ BILANCE VODNÍ PÁRY
• CSN: Podle ČSN 73 0540-4 – časová diskretizace: měsíc
• ISO: Podle ČSN ISO 137 88 – časová diskretizace: měsíc
• CSN*: Podle ČSN 73 0540-4 – časová diskretizace: deninterpolace kvadratickým splajnem
• ISO*: Podle ČSN ISO 137 88 – časová diskretizace: den interpolace kvadratickým splajnem
• COND: dtto ISO* – časová diskretizace: den interpolace kvadratickým splajnem
započtení vlivu vytvářející se vlhkosti
Pět metod lišících se ve stanovení okrajových podmínek:
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
TEPELNÁ VODIVOST MATERIÁLŮ
Suchý materiál
Vlhký materiál
Pórovitost: [%]s
a
V
Vpor
]..[.1. 11 KmWporpor acs
]..[.. 11 KmWupor difavvdifsu
]..[... 12 KmWVVV aaccss
]..[.... 12 KmWVVVVV vvvadifaccsu
Vlhkostní součinitel
][..
.
s
difav
v
s
ms
dif
u
por
]..[.1. 11 KmWumsu
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
KAPILÁRNÍ VODIVOST KAPALNÉ VLHKOSTI
]..[
,, 13
smkgx
xqxw
]..[,
., 13
2
2
smkg
x
xwxwm
bwAw
.
jjj bwAkw ..1
Eulerova metoda:
11 ... jjj bkwwAkE
Implicitní Eulerova metoda:
11 .2
..2
..2
jjjj bb
kwA
kEwA
kE
Crank-Nicolsonova metoda:
Základní rovnice popisující kapilární vodivost
Časová diskretizace
Prostorová diskretizace metodou sítí
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
KAPILÁRNÍ VODIVOST KAPALNÉ VLHKOSTI
1 jj ww Pro j = 0: 0w
11
111 ..1
jn
jjn
jjn www
][11
1
111
jn
jn
jnj
ww
w
jj ww.
~
][.2
.0
1
G
wwhn
i
ji
ji
j
Vážený průměr w(n,j-1) a w(n-1,j-1)s váhou podle první derivace v bodě w(n-1,j-1):
Počáteční podmínka
Okrajové podmínky
Integrační korekce
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
KAPILÁRNÍ VODIVOST KAPALNÉ VLHKOSTI
Graf funkce w(x,) Graf funkce w(x,)
Graf funkce w(x,)ověření konvergencepro
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
VÝSLEDKY DISERTACE
Skladby posuzovaných plochých střešních konstrukcí
Konstrukce č. 1
Konstrukce č. 2
Konstrukce č. 3
Konstrukce č. 4
U = 0,224 W.m-2.K-1 (U < UN) - vyhovující
U = 0,697 W.m-2.K-1 (U > UN) - nevyhovující
U = 0,231 W.m-2.K-1 (U < UN) - vyhovující
U = 0,770 W.m-2.K-1 (U > UN) - nevyhovující
lehká konstrukce
lehká konstrukce
těžká konstrukce
těžká konstrukce
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
VÝSLEDKY DISERTACE
Okrajové podmínky Vnitřní prostředí: podle ČSN 06 0210
Vnější prostředí: metoda COND
Běžné klimatické podmínky
Extrémní klimatické podmínky
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Konstrukce č. 3
U = 0,224 W.m-2.K-1
Uef = 0,225 W.m-2.K-1 (+ 0.5 %)Uextr = 0,226 W.m-2.K-1 (+ 0,9 %)um,extr = 2,39 %
VÝSLEDKY DISERTACE
U = 0,231 W.m-2.K-1
Uef = 0,232 W.m-2.K-1 (+ 0.5 %)Uextr = 0,233 W.m-2.K-1 (+ 0,9 %)um,extr = 2,52 %
Konstrukce č. 2U = 0,697 W.m-2.K-1
Uef = 0,723 W.m-2.K-1 (+ 3.7 %)Uextr = 0,749 W.m-2.K-1 (+ 7,5 %)um,extr = 38,97 %
Konstrukce č. 4U = 0,770 W.m-2.K-1
Uef = 0,836 W.m-2.K-1 (+ 8.6 %)Uextr = 0,876 W.m-2.K-1 (+ 13,8 %)um,extr = 97,41 %
Konstrukce č. 1
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Konstrukce č. 1
Konstrukce č. 3
VÝSLEDKY DISERTACE
Konstrukce č. 2
Konstrukce č. 4
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Konstrukce č. 1
Konstrukce č. 3
VÝSLEDKY DISERTACE
Konstrukce č. 2
Konstrukce č. 4
lehká, U < UN lehká, U > UN
těžká, U < UN těžká, U > UN
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
VÝSLEDKY DISERTACE
Extrémní nárůst hmotnostní vlhkosti
um,extr = 146 %
um,rok = 144 %
um,extr = 59 %
um,rok = 58 %
Běžné klimatické podmínky Extrémní klimatické podmínky
um,extr = 97 %
um,rok = 46 %um,extr = 39 %
um,rok = 18 %
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Zvýšení hodnoty efektivního součinitele prostupu tepla Uef
Zateplená konstrukce (U < UN) Nezateplená konstrukce (U > UN)
Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm. Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm.
lehká konstrukce + 0,5 % + 0,5 % + 3,7 % + 7,5 %
těžká konstrukce + 0,5 % + 0,5 % + 8,6 % + 13,6 %
Zvýšení hodnoty extrémního součinitele prostupu tepla Uextr
Zateplená konstrukce (U < UN) Nezateplená konstrukce (U > UN)
Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm. Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm.
lehká konstrukce + 0,9 % + 0,9 % + 7,5 % + 13,3 %
těžká konstrukce + 0,9 % + 0,9 % + 13,8 % + 21,8 %
Extrémní hodnoty hmotnostní vlhkosti um,extr
Zateplená konstrukce (U < UN) Nezateplená konstrukce (U > UN)
Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm. Běžné klim. podm. Extrémní klim. podm.
lehká konstrukce 2,4 % 3,7 % 39,0 % 58,4 %
těžká konstrukce 2,5 % 3,9 % 97,4 % 146,0 %
VÝSLEDKY DISERTACE
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
1. Posouzením se prokázalo, že existence kapalné vlhkosti má značný vliv na tepelnou vodivost materiálů.
2. Největší nárůst hodnoty součinitele prostupu tepla byl zaznamenán u konstrukcí nedokonale tepelně izolovaných – zejména v kritických dnech roku (značný nárůst potřeby energie).
3. Nárůst hodnoty součinitele prostupu tepla se dále zvyšuje v extrémních klimatických podmínkách – zejména v kritických dnech roku (značný nárůst potřeby energie).
ZÁVĚRY
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
4. Negativní vliv vlhkosti byl zaznamenán u těžkých konstrukcí výrazněji.
5. Bylo prokázáno, že nárůst hodnoty hmotnostní vlhkosti v tepelně izolační vrstvě u nedokonale izolovaných konstrukcí roste až do extrémních hodnot, což s sebou přináší mnoho negativních důsledků.
6. Bylo zjištěno, že výrazný nárůst součinitele prostupu tepla vykazují konstrukce, jejichž tepelně izolační vrstva je charakterizována velmi nízkou hodnotou i hodnotou .
ZÁVĚRY
Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavebníANALÝZA VLHKOSTNÍCH PROCESŮ OBALOVÝCH KONSTRUKCÍ
1. Zjišťování a zpřesňování vstupních parametrů
2. Rozšířit jednorozměrné vlhkostní pole na trojrozměrné
3. Analýza transportu vlhkosti v případě úplného nasycení
4. Rozvoj a optimalizace aplikačního programu TEPTECH
PLÁN DALŠÍHO VÝZKUMU