Νίκος Κ. Μπάρκας e-mail : nbarkas@arch.duth.gr ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Δ.Π.Θ. ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ : ΟΙΚΟΔΟΜΙΚΗ IV προστασία κτιρίων – Η/Μ εγκαταστάσεις 2. Θερμομόνωση - Υγρασία Νίκος Κ. Μπάρκας e-mail : nbarkas@arch.duth.gr http://nikosbarkas.gr/ Οι σημειώσεις βρίσκονται αναρτημένες στην ιστοσελίδα : http : // eclass.duth.gr ΤΜD149

Υπενθυμίσεις (1) Η μετάδοση της θερμότητας συνδέεται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας μέσα σε ένα σύστημα (περιβάλλον, κτίριο, σώμα) Κατά τη μετάδοση της θερμότητας ισχύουν οι αρχές της θερμοδυναμικής : ο νόμος διατήρησης της ενέργειας και το αξίωμα μετάδοσης της θερμότητας από το θερμό προς το ψυχρό Γενικά, μετάδοση θερμότητας ανάμεσα σε δύο σώματα είναι η ανταλλαγή ενέργειας λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας (η εξίσωση των θερμοκρασιών διακόπτει κάθε θερμική ανταλλαγή). Η θερμομόνωση έχει στόχο να παρεμποδίσει τη θερμική ροή, Η αύξηση της θερμικής ροής απαιτεί εναλλάκτες θερμότητας (ψύκτες). Στάσιμη κατάσταση σε ένα σύστημα θεωρείται όταν, σε όλα τα σημεία οι θερμικές ροές είναι ανεξάρτητες του χρόνου, δηλαδή σταθερές και αναλλοίωτες, Ομογενές θεωρείται ένα σώμα, όταν οι βασικές ιδιότητες του διατηρούνται αναλλοίωτες σε όλα τα σημεία του, Ισότροπο θεωρείται ένα σώμα, όταν οι βασικές ιδιότητες του διατηρούνται αναλλοίωτες σε κάθε κατεύθυνση Στη μετάδοση θερμότητας η μελέτη των φαινομένων είναι μακροσκοπική, δηλαδή όλα τα στερεά σώματα θεωρούνται ισότροπα (ακόμη και τα πορώδη), με την προϋπόθεση ότι οι διαστάσεις των πόρων είναι ελάχιστες σε σχέση με τη διατομή του υλικού.

Τρόποι μετάδοσης της θερμότητας Αγωγή είναι η ανταλλαγή θερμικής ενέργειας, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας, ανάμεσα σε δύο περιοχές ενός στερεού, υγρού ή αερίου σώματος ή ανάμεσα σε δύο σώματα που βρίσκονται σε φυσική επαφή (θεωρητικά χωρίς μετακίνηση ύλης ). Η αγωγή είναι ο μοναδικός τρόπος μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό ενός ομογενούς, συμπαγούς και αδιαφανούς στερεού. Νόμος του Fourier, η γραμμική σχέση της θερμικής ροής ως προς τη θερμοκρασιακή πτώση, σε μονοδιάστατο θερμοκρασιακό πεδίο ισχύει Qλ = - λ Α (dθ / dχ) όπου Qλ η ροή θερμότητας (Q), λ η θερμική αγωγιμότητα ( W/mK), Α η επιφάνεια διαμέσου της οποίας (κάθετα) συντελείται η θερμική ροή (m2) dθ / dχ η πτώση θερμοκρασίας στην κατεύθυνση χ Το αρνητικό πρόσημο σημαίνει ότι η μετάδοση θερμότητας συνοδεύεται από πτώση της θερμοκρασίας. Η θερμική αγωγιμότητα λ είναι σημαντική ιδιότητα των υλικών και αποτελεί το βασικό κριτήριο επιλογής των υλικών θερμομόνωσης.

Θερμική ακτινοβολία - Μεταφορά (συναγωγή) θερμότητας Ακτινοβολία είναι ο τρόπος μετάδοσης της θερμικής ενέργειας με ηλεκτρομαγνητική μορφή, απο το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα, χωρίς φυσική επαφή Η θερμική ακτινοβολία εκπέμπεται από όλα τα σώματα, συνέχεια, προς όλες τις κατευθύνσεις (και μέσω του κενού, με την ταχύτητα του φωτός). Συναγωγή είναι ο τρόπος μετάδοσης της θερμότητας που εμφανίζεται κατά την κίνηση ενός ρευστού (ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ ρευστού και στερεού). Στην πραγματικότητα είναι συνδυασμός των φαινομένων της αγωγής θερμότητας και της μεταφοράς μάζας, επειδή το ρευστό τίθεται σε κίνηση. Θερμική οριακή στρώση ενός ρευστού είναι το λεπτό στρώμα που βρίσκεται υπό την άμεση επήρεια της θερμοκρασίας του τοιχώματος (θερμοκρασιακές μεταβολές του ρευστού μέχρι το θεωρητικό ποσοστό 99% της θερμοκρασίας μακριά από το τοίχωμα).

Συνδυασμοί τρόπων μετάδοσης της θερμότητας Συνδυασμοί τρόπων μετάδοσης της θερμότητας Στις κατασκευές (επάλληλες στρώσεις κελύφους, τοίχωμα σε επαφή με υγρό ή αέριο στις δύο πλευρές του, σωλήνες μέσα σε τοίχωμα κλπ) εμφανίζονται ποικίλοι συνδυασμοί των τρόπων μετάδοσης της θερμότητας. Κάθε πρόβλημα περιγράφεται με ένα σύνολο από επιμέρους εξισώσεις. Η μαθηματική διατύπωση δίδεται με την κατάστρωση ενός συστήματος θερμικών ροών, διαφορών θερμοκρασίας και θερμικών αντιστάσεων. Στόχος είναι ο υπολογισμός του συντελεστή θερμοπερατότητας κάθε κτιριακού στοιχείου, όπως απαιτεί ο Κανονισμός Θερμομόνωσης. Στις κατασκευές, κατά την κατάστρωση του μαθηματικού συστήματος γίνεται συνήθως η παραδοχή της στάσιμης κατάστασης και συνδυάζεται η αγωγή θερμότητας με την ακτινοβολία ή/και με τη συναγωγή θερμότητας σύμφωνα με τους κανόνες επίλυσης των ηλεκτρικών κυκλωμάτων (θερμικές αντιστάσεις σε σειριακή ή παράλληλη σύνδεση). Π1

Διάταξη υλικών τοίχου εν σειρά Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας στις διαχωριστικές επιφάνειες ενός πολύ-κέλυφου τοίχου ισχύει : Επομένως, και αντίστοιχα ανεξαρτήτως σειράς Π1

Διάταξη υλικών τοίχου εν παραλλήλω Στην περίπτωση μονοδιάστατης θερμικής ροής, παράλληλα στις στρώσεις ενός τοίχου, ελλείψει θερμικών πηγών ισχύει : Επομένως, Δηλαδή αντί της σχέσης πλάτους των διατομών, ισχύει η σχέση ύψους των στρώσεων Π1

Διάταξη υλικών τοίχου εν σειρά ΚΑΙ εν παραλλήλω Στις μικτές διατάξεις στρώσεων, το υπολογιστικό αποτέλεσμα καθορίζεται από τον τρόπο διαχωρισμού του τοίχου : 1 / Λ (ΑΒ) = 1 / Λ(Α) + 1 / Λ(Β) 1/ Λ(ΑΒ) = s1 / λ1 + s2(b1+b2)/(b1λ1 + b2λ2) Π1 Στην πραγματικότητα, το εργαστηριακό αποτέλεσμα βρίσκεται ανάμεσα στις παραπάνω αριθμητικές τιμές

Συντελεστής θερμοπερατότητας ενός δομικού στοιχείου είναι ένα βοηθητικό μέγεθος που προκύπτει από το συνδυασμό της αντίστασης θερμο-διαφυγής του τοιχώματος και των συντελεστών συναγωγής των πλευρών του : Κ = 1 / ( 1/α1+ 1/Λ + 1/α2) Από το συντελεστή θερμο-περατότητας ενός στοιχείου προσδιορίζεται ο συντελεστής θερμο-περατότητας μιας εξωτερικής πλευράς ή ο συντελεστής θερμο-περατότητας όλου του κτιρίου Από τη σχέση θερμικής ροής, διαφοράς θερμοκρασίας και συντελεστή θερμο-περατότητας ισχύει : Η παραπάνω σχέση γίνεται : Δθ = 1/Κ * q δηλαδή είναι μια γραμμική εξίσωση (κλίσης ευθείας) που επιτρέπει τη μετατροπή του διαγράμματος φυσικής κλίμακας σε διάγραμμα R/θ Π2

Πτώση θερμοκρασίας σε πολυ-κέλυφο τοίχο μεταφορά σε διάγραμμα R/θ Π2 Εφόσον η αντίσταση και ο συντελεστής θερμοδιαφυγής εξαρτώνται από τη θερμική αγωγιμότητα και τη διατομή του στοιχείου, επιλέγουμε το χρήσιμο μονωτικό υλικό ή το απαιτούμενο πάχος του

Υπενθυμίσεις (2) Η φάση, στερεή / υγρή / αέρια κατάσταση ενός υλικού είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού P, V, T. Κρίσιμο σημείο : θερμοκρασία πέραν της οποίας είναι αδύνατη η υγροποίηση με ισόθερμη συμπίεση Αέριο : σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της κρίσιμης (συμπιέζεται ισόθερμα χωρίς υγροποίηση) Ατμός : σε θερμοκρασία μικρότερη της κρίσιμης (υγροποίηση σε ισόθερμη συμπίεση) Νερό : σε υγρή κατάσταση καταλαμβάνει μικρότερο όγκο από τον πάγο Ξηρός αέρας : χωρίς υδρατμούς Υγρός αέρας : ξηρός αέρας με υδρατμούς Ρσ = Ρυ + Ρ (Ρυ < 5%) Συντελεστής αντίστασης στη διάχυση των υδρατμών μ μ = gl ροή υδρατμών στον αέρα / gd ροή υδρατμών στο υλικό (%) Κρίσιμο μέγεθος της υγραντίστασης : το ποσοστό & το μέγεθος των πόρων του υλικού Όλα τα δομικά υλικά (από πόρους & ρωγμές) μπορούν να απορροφήσουν νερό και υδρατμούς κατά τη χειμερινή περίοδο. Χρειάζεται να εξασφαλιστεί η δυνατότητα αποβολής της υγρασίας κατά την εαρινή – θερινή περίοδο.

Η διάχυση των υδρατμών είναι ένα εξισωτικό φαινόμενο των επιμέρους πιέσεων υδρατμών και αέρα (κάτω) Διαδικασίες εξίσωσης πιέσεων σε διαφορετικές συνθήκες P, θ Π2 (πάνω) Το φαινόμενο της διάχυσης των υδρατμών είναι ανάλογο της μετάδοσης θερμότητας (εξίσωση πιέσεων). Η κίνηση των υδρατμών κατευθύνεται προς την πλευρά του τοίχου με τη χαμηλότερη πίεση Π2

Ο κίνδυνος της εσωτερικής συμπύκνωσης των 1ος νόμος του Fick : g = -D grad c η ροή διάχυσης ανεξάρτητη του χρόνου (στάσιμη κατάσταση) 2ος νόμος του Fick : dc / dt = div (D grad c) η ροή διάχυσης τοπική & χρονική συνάρτηση της συγκέντρωσης D : συντελεστής διάχυσης C : συγκέντρωση υδρατμών Ο κίνδυνος της εσωτερικής συμπύκνωσης των υδρατμών εξαιτίας αδιαπέραστων στρώσεων ΠΡΟΣΟΧΗ : άλλο εσωτερική κι άλλο επιφανειακή συμπύκνωση Π2

Βασικά μεγέθη της διάχυσης Π2 Η μονοδιάστατη ροή της θερμότητας μέσα σε δομικό στοιχείο επάλληλων στρώσεων : q = (Δθ) / [ 1/α1 + d1/λ1 + d2/λ2 + . . . + 1/αa] Η μονοδιάστατη ροή της διάχυσης των υδρατμών μέσα σε δομικό στοιχείο επάλληλων στρώσεων : g = (ΔΡ) / [ 1/b1 + d1/D1 + d2/D2 + . . . + 1/ba] Συντελεστής υδρατμοπερατότητας : ΚD = 1 / [ 1/β1 + 1/δ + 1/βa] όπου δ ο συντελεστής υδρατμοδιαφυγής

Αντιστοιχίες στα φαινόμενα θερμικής ροής / διάχυσης η θερμική ροή q ως ροή υδρατμών g η πτώση θερμοκρασίας Δθ ως πτώση πίεσης υδρατμών ΔΡ ο συντελεστής θερμικής μετάβασης α ως συντελεστής υδρομετάβασης β ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ ως συντελεστής υδρατμαγωγιμότητας δ

Υγρασία : ένα δυναμικό φαινόμενο Η συγκράτηση των υδρατμών : συνάρτηση πίεσης (χαμηλής) & θερμοκρασίας (υψηλής) Αύξηση Θερμοκρασίας Αύξηση ικανότητας συγκράτησης Μείωση Θερμοκρασίας Μείωση δυνατότητας συγκράτησης Ποσότητα κορεσμού : η μέγιστη ποσότητα συγκρατούμενων υδρατμών στη μονάδα όγκου, για δεδομένη θερμοκρασία (η θs λέγεται σημείο δρόσου ή κορεσμού) Όταν η Θερμοκρασία θs τότε C < Cs Όταν η Θερμοκρασία θs τότε C > Cs δηλαδή δρόσος, αποβολή υδρατμών Αν επίσης και θ < 0 τότε φαινόμενο πάχνης

Υγρασία : η συμπεριφορά των δομικών υλικών Συνάρτηση της ταχύτητας απορρόφησης / αποβολής Συνάρτηση της ικανότητας συγκράτησης (πυκνότητα, υγρoσκοπικότητα) Πορώδες (ποσότητα μάζας στον διαθέσιμο όγκο) Υδρατμο-απορροφητικότητα (πλήθος – μέγεθος – διάταξη πόρων) πορώδες προσβολή της υγρασίας πλήθος πόρων απορροφητικότητα διάμετρος πόρου συγκράτηση (δυσκολία αποβολής) ΜΗ ΠΟΡΩΔΗ : γυαλί , μέταλλα, πλαστικά ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΜΠΑΓΗ : μάρμαρα, σχιστολιθικές πλάκες, τραβερτίνη, γραφίτης, βασάλτης, ειδικό σκυρόδεμα, εφυαλωμένα υλικά ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ : ξύλο (κύτταρα), υαλοβάμβακας (σε κλειστή διατομή) Τριχοειδής αγωγιμότητα (ανάλογα το μικρό μέγεθος των αγγείων, οι δυνάμεις συνάφειας / έλξης ισχυρότερες της βαρύτητας) Ύψος ανόδου (άνωση) ανάλογο της επιφανειακής τάσης του νερού, αντιστρόφως ανάλογο της διαμέτρου των αγγείων ΚΡΙΣΙΜΗ ΕΠΙΛΟΓΗ : η διάταξη της δόμησης Λεπτόκοκκα : ισχυρό τριχοειδές Πορόλιθοι : εμποτίζονται βραδύτερα, συγκρατούν περισσότερο

Υγρασία : μορφές και αίτια στα στερεά : η περιεκτικότητα νερού στη μάζα (σε υγρή φάση) στα αέρια : η περιέκτικότητα σε υδρατμούς (αέρια φάση) Υγρασία εδάφους (υπέργεια, υπόγεια νερά) από θεμέλια ή τριχοειδή αγγεία Επιφανειακή συμπύκνωση στην ψυχρή πλευρά εσωτερικών χώρων Διάχυση υδρατμών Νερά καταιονισμών (βροχή, πτώσεις) Προσβολή των εκτεθειμένων επιφανειών Σφάλματα κατασκευής (συντήρησης) Διαρροές, σφάλματα κλίσης / υδρορροών, θραύση αγωγών Υγρασία υλικών (νέες κατασκευές) ανάλογα με τις συνθήκες (λίγοι μήνες ως 3 χρόνια)

Υγρασία - επιπτώσεις : φθορές στην υγεία και στις κατασκευές Διάλυση : αποσάθρωση δομικών υλικών (γύψος) Διόγκωση (αποφλοίωση, αποκόλληση) : μακροχρόνια, καταστροφή της συνάφειας Εξανθήματα : διάλυση /απόμιξη συστατικών, δημιουργία αλάτων, μεταφορά ουσιών στην επιδερμίδα, εξάτμιση (κηλίδες, εξανθήματα) Χημική διάβρωση, οξείδωση : αντιδράσεις οξειδίων με μάρμαρα, μέταλλα, ασβεστολιθικά Χρωματισμοί (ή αποχρωματισμοί) επιφανειών : ενώσεις οξειδίων σε μάρμαρα, ασβεστολιθικά Θραύσεις, ρηγματώσεις :αύξηση όγκου (μέχρι 20%) στον πάγο, διάρρηξη ιστού, θρυμματισμός εκτεθειμένων επιφανειών Καταστροφή (ή ελάττωση) θερμομονωτικών ιδιοτήτων : το νερό καταλαμβάνει τους πόρους και εκτοπίζει τον αέρα (λν > 24 λα) Φυτοφυϊα (ανάπτυξη μηκύτων, λειχήνων) : διείσδυση στον ιστό, αύξηση της υγρασίας, καταστροφή δομικών υλικών

Α. Φραγκουδάκης «Θερμομόνωση, Υγροπραστασία, Ανεμοπροστασία Κτιρίων», ΣΗΜΕΙΩΣΗ : τα σχήματα, τα διαγράμματα και οι τύποι των διαφανειών προέρχονται από τα πανεπιστημιακά συγγράμματα Π1 : Α. Φραγκουδάκης «Θερμομόνωση, Υγροπραστασία, Ανεμοπροστασία Κτιρίων», διδακτικό βοήθημα Πολυτεχνικής Σχολής ΑΠΘ, 1985 Π2 : Δ. Αραβαντινός «Αριθμητική προσέγγιση του φαινομένου της Διάχυσης των Υδρατμών», διδακτορική διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ, 1988