geodezijo
Kandidat/-ka:
SIMONA ŠPEHAR
PRENOS TOPLOTE IN VODNE PARE SKOZI STENO IZ SLAME IN ILOVNATIH OMETOV
Magistrsko delo št.:
HEAT AND MOISTURE TRANSFER THROUGH A WALL MADE OF STRAW AND CLAY
Master Thesis No.:
Mentor/-ica: Predsednik komisije:
prof. dr. Zvonko Jagličić
Somentor/-ica:
asist. dr. David Antolinc, dr. Larisa Brojan
Član komisije:
Ljubljana, ______________
STRAN ZA POPRAVKE
Stran z napako Vrstica z napako Namesto Naj bo
BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN Z IZVLEČKOM
UDK:
Avtorica:
Mentor:
Somentorja:
Naslov:
Tip dokumenta:
Obseg in oprema:
Ključne besede:
693.611:697.133(497.4)(043.3) Simona Špehar, dipl.inž.grad (UN) prof. dr. Zvonko Jagličić, univ. dipl. fiz.
asist. dr. David Antolinc, univ. dipl. inž. grad.
dr. Larisa Brojan, univ. dipl. inž. arh.
Prenos toplote in vodne pare skozi steno iz slame in ilovnatih ometov
Magistrsko delo
53 str., 18 pregl., 16 graf., 20 sl., 4 pril.
Slamnate bale, toplotna prevodnost, difuzija vodne pare, navlaževanje, parna ovira
Izvleček
Uporaba slame v gradnji ima relativno kratko zgodovino. V preteklosti se je uporabljala pretežno kot kritina in kot armatura pri gradnji z zemljo. Najmanj poznana pa je uporaba slame v gradnji v obliki bal.
Današnje zanimanje za uporabo slame v gradnji je predvsem zaradi njene ekološke vrednosti in izolacijskih karakteristik.
Največjo slabost uporabe slame v gradnji predstavlja vlaga. Za boljše razumevanje in poznavanje tega področja, smo raziskovali prenos toplote in vodne pare skozi steno iz slamnatih bal, ometano z ilovnatim in apnenim ometom. Pripravili in izvedli smo terenske in laboratorijske meritve. Analize meritev so zajemale laboratorijske meritve vzorcev materialov, meritve s senzorji na objektu, ter povezavo pridobljenih informacij v računskem modelu. Z Glaserjevo metodo smo izvedli izračun kondenzacije vodne pare v steni. Ugotovili smo, da je obravnavana stena iz slame ustrezno zasnovana, saj je količina kondenzirane vlage nižja od dovoljene in se stena izsuši v primernem času, zaradi česar vgradnja parne ovire ni potrebna.
.
BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT
UDC:
Author:
Supervisor:
CO-supervisor:
Title:
Document type:
Notes:
Keywords:
693.611:697.133(497.4)(043.3) Simona Špehar, B.Sc.
Prof. Zvonko Jagličić, Ph.D.
Assist. Prof. David Antolinc, Ph.D.
Assist. Prof. Larisa Brojan, Ph.D.
Heat and moisture transfer through a wall made of straw and clay Master Thesis
53 p., 18 tab., 16 graph., 20 fig., 4 ann.
Straw bale, thermal conductivity, diffusion of water vapour, moisturizing, steam barrier
Abstract
The use of straw under construction has a relatively short history. In the past it was mainly used as roofing and as a fitting in construction with land. The least known is the use of straw in the form of bales. Today's interest in the use of straw in construction is mainly due to its ecological value and insulating characteristics.
The biggest weakness in the use of straw in construction is moisture. The thesis presents the transfer of heat and water vapor through a wall of straw bales, plastered with clay and lime plaster. We focused on the problem of moisture in the structure from straw bales. We analyzed the real building – the home house. The analyses included laboratory measurements of materials samples, measurements with sensors on the object, and a link between the information obtained in the computational model. Using the Glasser method, we performed a calculation of the condensation of water vapour in the wall. We found that the straw wall is well designed, as the amount of condensed moisture is lower than allowed and the wall dries out at a reasonable time. There's no need for a steam barrier.
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju in somentorjema za svetovanje in pomoč pri izdelavi magistrskega dela.
Zahvaljujem se tudi svojim bližnjim za ljubezen in pomoč v času mojega študija.
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
1.1 Namen magistrske naloge ... 1
1.2 Prednosti in slabosti gradnje iz slame ... 2
1.2.1 Ekološkost materiala ... 2
1.2.2 Stroškovni vidik ... 2
1.2.3 Toplotno in zvočno udobje ... 2
1.2.4 Toplotna kapaciteta z ilovico ometanega zidu ... 3
1.2.5 Požarna odpornost ... 3
1.2.6 Potresna odpornost ... 3
1.2.7 Odpornost proti insektom in glodalcem ... 3
1.2.8 Problem navlaževanja izolacije iz slame ... 4
2. PREDSTAVITEV TESTNEGA OBJEKTA ... 5
2.1 Postopek gradnje zunanjih sten ... 6
2.2 Sestava konstrukcijskega sistema ... 8
2.3 Materiali ... 8
2.3.1 Ilovnati omet ... 8
2.3.2 Apneni omet ... 8
2.3.3 Slamnate bale ... 9
3 PODNEBNE ZNAČILNOSTI LOKACIJE ... 10
3.1 Podnebni podatki ... 10
4. METODE DELA ... 13
4.1 Merilne naprave ... 13
4.1.1 Podatkovni zapisovalnik AHLBORN ALMEMO 2590 ... 13
4.1.2 Senzor gostote toplotnega toka AHLBORN FQAO18T ... 14
4.1.3 Senzor temperature in relativne vlažnosti zraka AHLBORN FHAD46-C41 ... 15
4.1.4 Termočlen Ni-Cr ... 15
4.1.5 Merilnik in zapisovalnik temperature in relativne vlažnosti zraka USB VOLTCRAFT DL- 121TH ... 16
4.1.6 Senzor za merjenje koncentracije CO2 AHLBORN FY0D00CO2B05 ... 16
4.2. Laboratorijski testi – merjenje toplotne prevodnosti materialov ... 16
4.2.1 Izračun toplotne prevodnosti apnenega ometa ... 19
4.2.2 Izračun toplotne prevodnosti ilovnatega ometa ... 20
4.3. Laboratorijski testi – določitev difuzijske konstante posameznih materialov po metodi suhih čaš
... 22
5. REZULTATI MERITEV NA OBJEKTU ... 29
5.1. Meritve 5.2. – 10.2.2021 ... 29
5.2. Meritve 12.2. – 17.2.2021 (prvi popravek) ... 31
6. PRIDOBIVANJE PODATKOV ZA TOPLOTNO PREVODNOST SLAMNATIH BAL (λs) ... 34
7. GLASERJEVA METODA ... 36
6.1. Izračun difuzije vodne pare po mesecih ... 37
6.1.1 Hladno obdobje (kondenzacija) ... 37
6.1.2 Toplo obdobje (izsuševanje) ... 43
6.1.3 Mesečni prikaz dinamike navlaževanja v steni ... 46
6.1.4 Primerjava računsko pridobljenih rezultatov z vrednostmi iz računalniških programov Ubakus in KI Energija ... 48
8 ZAKLJUČEK ... 49
KAZALO PREGLEDNIC
Tabela 1: Vzorec apnenega ometa - izmerjene vrednosti ... 19
Tabela 2: Vzorec ilovnatega ometa - izmerjene vrednosti ... 21
Tabela 3: Rezultati tehtanja vzorcev ... 24
Tabela 4: Vrednosti intervalov ... 35
Tabela 5: Materialne lastnosti posameznih slojev stene ... 35
Tabela 6: Mesečna povprečja temperatur zunanjega zraka - meteorološka postaja Brnik, za obdobje 2007 - 2017 ... 36
Tabela 7: Mesečna povprečja relativne vlažnosti zunanjega zraka - meteorološka postaja Brnik, za obdobje 2007 - 2017 ... 36
Tabela 8: Standardni bivalni pogoji (Medved, 2010) ... 37
Tabela 9: Glaserjeva metoda, vhodni podatki za oktober ... 37
Tabela 10: Vhodni podatki za izračun upora prehoda vodne pare r ... 38
Tabela 11: Upor prehoda vodne pare r ... 38
Tabela 12: Vhodni podatki za izračun toplotnih upornosti ... 39
Tabela 13: Toplotne upornosti slojev ... 39
Tabela 14: Temperature in parni tlaki po slojih KS-ja (mesec oktober) ... 41
Tabela 15: Glaserjeva metoda, vhodni podatki za mesec maj ... 43
Tabela 16: Temperature in parni tlaki po slojih KS-ja (mesec maj) ... 45
Tabela 17: Količina nabranega kondenza po mesecih ... 46
Tabela 18: Robni pogoji v skladu z DIN 4108-3 ... 48
KAZALO GRAFIKONOV
Grafikon 1: Povprečna mesečna temperatura izmerjena na meteorološki postaji Brnik [12]... 11
Grafikon 2: Povprečna mesečna relativna vlažnost izmerjena na meteorološki postaji Brnik [12] ... 12
Grafikon 3: Gostota toplotnega toka skozi vzorec apnenega ometa in sprememba temperatur na obeh straneh vzorca ... 19
Grafikon 4: Gostota toplotnega toka skozi vzorec ilovnatega ometa in sprememba temperatur na obeh straneh vzorca ... 20
Grafikon 5: Potek delnega zračnega tlaka (𝑝𝑠) v sobi ... 25
Grafikon 6: Sprememba mase apnene mešanice po urah ... 26
Grafikon 7: Sprememba mase ilovnate mešanice po urah ... 27
Grafikon 8: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka (5.2. – 10.2.2021) ... 29
Grafikon 9: Meritve gostote toplotnega toka in koncentracije CO2 (5.2. – 10.2.2021) ... 30
Grafikon 10: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka (12.2. – 17.2.2021) ... 32
Grafikon 11: Meritve gostote toplotnega toka in koncentracije CO2 (12.2. – 17.2.2021) ... 33
Grafikon 12: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka, objekt 2 (14.12. – 21.12.2018) ... 34
Grafikon 13: Potek parnih tlakov vodne pare (mesec oktober) ... 41
Grafikon 14: Potek parnih tlakov vodne pare (mesec maj) ... 45
Grafikon 15:Dinamika kondenza v steni – nabrana vlaga v posameznem mesecu ... 47
Grafikon 16: Dinamika kondenza v steni – nabrana vlaga v steni (v celoti) ... 47
KAZALO SLIK
Slika 1: Obravnavani objekt (lasten vir) ... 5
Slika 2: Tloris obravnavanega objekta (vir: PGD dokumentacija) ... 5
Slika 3: Konstrukcijski sklop zunanje stene (Vir slike [18]) ... 8
Slika 4: Lokacija testnega objekta (Vir slike [10)]) ... 10
Slika 5: Podatkovni zapisovalnik AHLBORN ALMEMO 2590 (lasten vir) ... 13
Slika 6: Postavitev senzorjev (notranji in zunanji točkovni senzor za temperaturo in relativno vlažnost, senzor za merjenje koncentracije CO2, senzorji za merjenje kontaktne temperature in merilna ploščica za merjenje gostote toplotnega toka), (lasten vir) ... 14
Slika 7: Postavitev merilne ploščice (prikazana je notranja stran zunanje stene), (lasten vir) ... 14
Slika 8: Senzor temperature in relativne vlažnosti zraka AHLBORN FHAD46-C41 (desno) in senzor za merjenje količine delcev CO2 AHLBORN FY0D00CO2B05 (levo) (lasten vir) ... 15
Slika 9: Termočlen Ni-Cr (lasten vir) ... 15
Slika 10: Merilnik in zapisovalnik temperature in relativne vlažnosti zraka USB VOLTCRAFT DL- 121TH (Vir slike [16]) ... 16
Slika 11: Priprava mešanice za ilovnate omete ... 17
Slika 12: Priprava mešanice za apnene omete ... 17
Slika 13: Priprava kalupov ... 18
Slika 14: Preizkušanci, pripravljeni na sušenje in strjevanje ... 18
Slika 15: Nameščanje vzorcev na merilnik toplotne prevodnosti ... 18
Slika 16: Zatesnjeni vzorci apnenih in ilovnatih ometov (zgoraj) in nasuta sol v modelu (spodaj)... 22
Slika 17: Kalcijev klorid dihidrat CaCl2 (H2O)2 ... 22
Slika 18:Vzorci v prostoru s kontroliranimi pogoji (T = 18,92°C, RH = 43,53%) ... 23
Slika 19: Tehtanje vzorcev ... 23
Slika 20: Prvi popravek: izolirana škatla nad senzorjem gostote toplotnega toka ... 31
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
CO2 [ppm] – ogljikov dioksid KS – konstrukcijski sistem
Tn [°C] – notranja temperatura zraka Tz [°C] – zunanja temperatura zraka Rhn [%] – notranja relativna vlažnost zraka Rhz [%] – zunanja relativna vlažnost zraka Rhns [%] – relativna vlažnost zraka v škatli Tnk [°C] – notranja kontaktna temperatura Tzk [°C] – zunanja kontaktna temperatura Tns [°C] – temperatura zraka v škatli ΔT [°C] – temperaturna razlika λ [W
mK] – toplotna prevodnost q [W
m2] – gostota toplotnega toka R [K m2
W ] – toplotna upornost U [ W
m2𝐾] – toplotna prehodnost p0 [hPa] – standardni zračni tlak ps [hPa] – zračni tlak v sobi Δp [Pa] – tlačna razlika g [ mg
m2∗h] - gostota toka vodne pare µ [/] - difuzijska upornost snovi r [m] – upor prehoda vodne pare d [m] – debelina plasti
1 UVOD
Vse bolj se zavedamo pomena zdravega bivalnega okolja, ter vpliva gradbenih materialov na okolje. V zadnjih letih je izpostavljena ekološka problematika. Gradbeni materiali in odpadki spadajo med največje onesnaževalce in predstavljajo v Sloveniji dobro četrtino vseh nastalih odpadkov. Na področju gradbeništva tako postopoma nastajajo nove smernice, ki spodbujajo zmanjšanje ekološkega učinka na naravno okolje [1]. Ena izmed strategij, je uporaba materialov, pridobljenih s čim manjšo predelavo in transportom. To so tako imenovani naravni materiali, pridobljeni v bližnji okolici načrtovane gradnje . Takšni materiali so les, slama, ilovica in apno [2].
Slama v gradnji ima dolgo, večtisočletno tradicijo. Najmanj raziskana in najmanj poznana uporaba slame v gradnji, pa je v obliki bal, saj je najstarejša evidentirana hiša iz slame stara okoli 200 let. Taka gradnja ima v primeru ustrezne zasnove in izvedbe, lahko dolgo življenjsko dobo [3]. Področje naravne gradnje s slamo je v zgodovini omejeno le na posamezne rokodelce. V zadnjih letih se sicer odpirajo podjetja, ki nudijo gradnjo takšnih hiš, vendar je uporaba strojne tehnologije pri omenjeni gradnji še vedno v zelo omejenem obsegu [4].
Tovrsten način gradnje sicer zelo počasi, a vztrajno, narašča. V Sloveniji je bila prva hiša iz slame postavljena v letu 2007, do danes pa jih je zgrajenih že okoli 50. Tovrstna gradnja prevladuje v SV Slovenije. Pojavljajo se nove tehnologije, ki omogočajo enostavnejšo in hitrejšo gradnjo hiš (npr.
prefabrikati). Izvajajo se študije na področjih potresne in požarne varnosti. Vse so dokazale zelo dobro obnašanje tovrstnih hiš. Še vedno pa je pomanjkljivo znanje s področja navlaževanja konstrukcijskih sklopov iz slame [2].
Raziskave, kjer so primerjali laboratorijske meritve prenosa vlage in meritve na obstoječih objektih, so pokazale različne rezultate. Za kontrolo in kritično oceno ustreznosti računske simulacije odziva dejanske slamnate stene glede prenosa vlage je nujno potrebno izvesti tudi in-situ meritve na obstoječih objektih. Pomanjkljivost laboratorijskih meritev se je pokazala v neupoštevanju vseh podnebnih dejavnikov in obnašanja materialov [2].
1.1 Namen magistrske naloge
Namen magistrske naloge je analizirati obnašanje stene iz slame in ilovnatih ometov v dejanskih razmerah. Zanimalo nas je, kakšen je toplotni tok skozi steno in kako dinamika okoliških razmer vpliva nanj. Zanimalo nas je tudi, kako se vlaga z difuzijo prenaša skozi steno.
Na objektu smo merili temperaturo in relativno vlažnost zunaj in znotraj hiše, ter kontaktno temperaturo na zunanji in notranji strani stene. Na isti poziciji zunanje stene smo merili tudi gostoto toplotnega toka skozi steno. Za boljše razumevanje notranje dinamike, smo namestili še senzor za merjenje koncentracije CO2, na podlagi katerega smo ugotavljali vpliv prezračevanja.
Za pridobitev snovnih lastnosti materialov za dve vrsti ometov, ki sta bila uporabljena pri gradnji hiše, smo izvedli dva laboratorijska testa. Z merilnikom za merjenje toplotne prevodnosti smo določili toplotno prevodnost ilovnatih in apnenih ometov, v skladu s standardom SIST EN 12667:2002.
S pomočjo metode suhih čaš smo skladno s standardom EN ISO 12572 določili difuzijsko upornost posameznih materialov za obe vrsti ometov.
Pridobljeni rezultati, so bili kasneje osnova za računski model Glaserjeve metode, s katero smo izračunali, koliko vlage se kondenzira v steni. Izračun smo izvedli skladno s standardom SIST ISO 13788:2002.
1.2 Prednosti in slabosti gradnje iz slame
Prednosti gradnje iz slamnatih bal so njena ekološkost, cena, toplotna, ter zvočna izolativnost in dostopnost materiala.
Glavna pomanjkljivost tovrstne gradnje pa je nezadostna raziskanost problematike navlaževanja konstrukcijskega sklopa [5].
1.2.1 Ekološkost materiala
Vpliv materiala na okolje je definiran preko ogljičnega odtisa [6]. Uporaba slamnatih bal ne povzroča dodatnih izpustov toplogrednih plinov, ampak jih celo zmanjšuje, saj kot nadomestilo za sintetične gradbene proizvode, prihrani nastajanje velikih količin izpustov nevarnih plinov, ki bi sicer nastali pri proizvodnji slednjih [4]. Še več, žito pri rasti celo porablja CO2, kar pomeni, da z ohranjanjem slame brez da razpade, dejansko skladiščimo CO2.
1.2.2 Stroškovni vidik
Garas in sod., [2009] so primerjali enoto konstrukcijskega sistema (v nadaljevanju: KS-ja) iz slame in ilovnatih ometov z enoto KS-ja iz opeke s konvencionalno toplotno izolacijo. Ugotovil je, da bi lahko z uporabo naravnih materialov pri gradnji prihranili do 40 % stroškov, poleg prihrankov pri porabi energije [5].
1.2.3 Toplotno in zvočno udobje
Primerno zasnovana stavba, z izolacijo iz slamnatih bal, nudi izjemno bivalno in temperaturno udobje.
K velikemu zmanjšanju pri porabi energije pripomoremo s pravim načrtovanjem orientacije stavbe, pozicije in količine zasteklitve ter primerno vgradnjo pasivnih solarnih sistemov za zajem energije [7].
Izvedeni so bili številni testi toplotne prevodnosti (λ) bal iz slame, ki so pokazali, da le-ta pri debelini bale 45 cm znaša okoli 0,05 W/mK [Waldland, 2013]. Zvočna izolativnost enake debeline (45 cm) slamnate bale pa se po izračunih giblje med 43 in 55 db [Minke v Mahlke, 2005]. Toplotna prehodnost zidu iz slame je v tem primeru pogosto nižja od 0,15 W / m2K, kar je v skladu s standardom za pasivne hiše [Zabašnik-Senegačnik, 2007]. Ilovnati ometi, ki v primerjavi s slamo malo prispevajo k zmanjšanju toplotne prehodnosti, pa skrbijo za akumulacijo toplote v stavbi, s čimer so preprečena večja temperaturna nihanja. Zaradi zgoraj navedenih razlogov, je ob ustrezno načrtovani zasnovi stavbe poraba energije za ogrevanje in hlajenje minimalna [5].
Prvi testi toplotne prevodnosti slamnatih bal so bili izvedeni v Ameriki [McCabe, J., 1993]. Pokazali so, daje toplotna prevodnost odvisna od orientacije slamnate bale. Če stebla slame potekajo vzporedno s toplotnim tokom, je vrednost λ višja (0,061 W/mK), kot, če potekajo pravokotno na smer toplotnega toka (0,046 W/mK). Pri izračunu toplotne prehodnosti U pa so ugotovljena odstopanja. Laboratorijske vrednosti izračuna posameznih materialov so nižje (okoli 0,13 W/m2K), kot dejansko izmerjene vrednosti na objektih iz slamnatih bal (okoli 0,19 W/m2K). Laboratorijsko pridobljene vrednosti se razlikujejo predvsem zaradi narave vgradnje materialov in njihovega obnašanja v naravnem okolju [Stone, 2003] [8].
1.2.4 Toplotna kapaciteta z ilovico ometanega zidu
Na toplotno kapaciteto stavbe vpliva tudi masivnost konstrukcije. Če na dobro izolirano stavbo vključimo še materiale s sposobnostjo akumulacije toplote, s tem dosežemo tako imenovani večji časovni zamik. Slednji nam pove, čez koliko časa se pozna temperaturni ekstrem z zunanje strani, v notranjosti stavbe. Pri stavbi iz slamnatih bal in z ilovnatimi ometi, je le-ta dolg okoli 12 ur. Glavna prednost večjega časovnega zamika se odrazi v poletnem času, ko nam v ometih skladiščen hlad pomaga čez dan v najbolj vročem delu dneva, ko se borimo za vzdrževanjem nižjih temperatur in pred pregrevanjem prostorov. Idealno je če, je časovni zamik tako velik, da je temperaturni ekstrem v prostorih dosežen v času ko zunaj vročina že pojenja in lahko potem zvečer zopet z zračenjem ohladimo stene in skladiščimo hlad v ometih za naslednji dan. Posledica časovnega zamika je tudi, da je ob času, ko toplotni tok iz notranjosti hiše začne prehajati proti zunanjosti, zunanji zrak že toplejši, in se tako porablja manj energije za ogrevanje hiše. [Hagentoft, 2001]. V toplotno stabilni stavbi, tako ne prihaja do večjih nihanj temperatur [8].
1.2.5 Požarna odpornost
Pravilno načrtovana in izvedena stena iz slamnatih bal, zaščitena z ometi, ima visoko požarno odpornost [Theis, 2003]. To dokazujejo različni izvedeni testi požarne odpornosti. Ometane bale so v vseh primerih zdržale 30 minutni test (v nekaterih primerih tudi 120 minutni), kar je glavna zahteva za požarno varnost v družinskih hišah. Vnetljivost slamnatih bal je odvisna od količine kisika, ki lahko prehaja čeznjo. Bolj ko je bala stisnjena, manj zraka lahko prehaja čeznjo, nižja je njena gorljivost [Lacinski in Bergeron, 2000] [8].
Zunanji ometi so negorljivi. Vnetljivost slamnatih bal pa je kategorizirana z razredom E, kar predstavlja snovi, ki so normalno vnetljive [9].
1.2.6 Potresna odpornost
Samonosna konstrukcija iz slamnatih bal v Sloveniji ni dovoljena, zaradi prevelike potresne ogroženosti.
Gradnja je tako omejena na leseno skeletno gradnjo, s polnilom iz slamnatih bal. Tako je tudi potresna odpornost primerljiva odpornosti tipične montažne hiše s skeletno konstrukcijo. Zaradi nizke lastne teže konstrukcije, je ob kvalitetno izvedeni leseni konstrukciji, potresna odpornost slednje višja od odpornosti klasično zgrajene opečne stavbe [4].
1.2.7 Odpornost proti insektom in glodalcem
Pravilno pripravljena slamnata bala ne vsebuje zajedalcev. Rezana mora biti na pravi višini in ob pravem času (ko semena že odpadejo in je vsaj teden suhih dni). Kot dodatna zaščita pa se najbolje izkažejo apneni ometi, ki so zaradi svoje alkalne trpkosti strupeni za glodalce [8].
1.2.8 Problem navlaževanja izolacije iz slame
Materialne lastnosti slame se v primeru navlaževanja močno spremenijo, kar se odraža v povišani toplotni prevodnosti. Vlaga med drugim povzroči tudi gnitje materiala, nastanek plesni in možnost samovžiga, zato je nadzor vlage v KS-ju ključnega pomena [Straube, 2006]. Še sprejemljiva količina vsebnosti vlage v slamnatih balah je med 20-25% [Wihan, 2007]. V praksi so te vrednosti večinoma nižje, saj se večinoma uporabljajo zelo suhe bale, z vsebnostjo vlage okoli 10 % [Morrison, 2012].
Obstajajo štirje glavni mehanizmi navlaževanja stavbe. To so padavine (zlasti močni nalivi), vodna para, ki se z difuzijo prenaša skozi steno, vgrajena vlaga, ter podtalnica, ki lahko zid omoči s kapilarnim dvigom [Straube, 2006: 139 ]. V primeru navlaževanja so potrebni mehanizmi za izsuševanje in predvsem za preprečevanje navlaževanja KS-ja [8].
Količina navlaževanja je odvisna od lokacije gradnje. Pri vgradnji slamnatih bal je pomembno, da jih dvignemo vsaj za 20 cm nad teren in tako preprečimo kapilarno navlaževanje [Wihan, 2007]. Prav tako se priporoča vgradnja parne ovire, ki preprečuje nastanek kondenza v balah slame. Glede na podnebne razmere in povprečno relativno vlažnost zraka je potrebno načrtovati material za zunanjo zaključno plast. Za slednjo se lahko uporabijo cementne, apnene in ilovnate mešanice. Glede na različna razmerja mešanic, dobimo material z različno prepustnostjo za vodno paro [8].
2. PREDSTAVITEV TESTNEGA OBJEKTA
V nalogi je obravnavana družinska hiša, zgrajena iz masivne lesene konstrukcije, s polnilom iz slamnatih bal. Stene hiše so z notranje strani ometane z ilovnatimi ometi, z zunanje pa z apnenimi. Izgled hiše je prikazan na sliki 1. Tloris hiše s prikazano orientacijo je razviden s slike 2 (vir: PGD dokumentacija).
Slika 1: Pogled na zgrajeno in zaključeno obravnavano hišo (lasten vir)
Slika 2: Tloris pritličja obravnavanega objekta (vir: PGD dokumentacija)
2.1 Postopek gradnje zunanjih sten
Postopek gradnje zunanjih sten je tekstualno in grafično opisan v preglednici 1.
Preglednica 1: Postopek gradnje zunanjih sten Na temeljni betonski plošči je izveden betonski parapetni zid, višine 30 cm. Čezenj je izvedena hidroizolacija iz bitumenskega traku. Na parapetni zid , ki je tako dvignjen 30 cm od terena, je postavljena nosilna konstrukcija iz masivnih smrekovih tramov.
Med tramove so zatlačene slamnate bale v vertikalni smeri. Potek slamnatih stebel je pravokoten na potek toplotnega toka skozi steno.
Lesene letvice so privijačene za lažje nameščanje apnenega ometa. Spodnjega pol metra stene je prekrite z mrežico proti glodalcem.
Prva plast apnenega ometa (apneni pršec) je nanešena strojno.
Druga plast apnenega ometa je ročno nanešena.
Izgled grobo ometane hiše.
Enak postopek nanosa ometa je potekal na notranji strani hiše, le da je tu nanešen ilovnati omet.
2.2 Sestava konstrukcijskega sistema
Konstrukcijski sistem (KS) je sestavljen iz masivnih lesenih elementov (plohov), dimenzij 6 × (18 + 18) cm2, razporejenih na 45 cm medsebojne razdalje. Vmes so zatlačene bale iz slame, dimenzij 45 × 50 × 90 cm. Bale so postavljene pokončno. Ometi so nanešeni ročno in niso enotnih dimenzij. Debelina notranjih ilovnatih ometov je povprečno 15 cm, zunanjih apnenih pa povprečno 10 cm (razmerja mešanic za omete so navedena v nadaljevanju). Slika 3 prikazuje presek konstrukcijskega sklopa zunanje stene.
Slika 3: Konstrukcijski sklop zunanje stene (Vir slike [18])
2.3 Materiali
2.3.1 Ilovnati omet
Za notranje omete smo uporabili ilovico z domače parcele. Ilovica je oker-rjave barve. V vlažnem stanju je zelo gladka, do viskozna in omogoča lahko obdelavo in dober oprijem. Izkopano ilovico je bilo potrebno najprej posušiti, jo nato zdrobiti na manjše kose in presejati skozi sito (0,5 × 0,5 cm2). Ilovnati prah je bil tako pripravljen za nadaljnjo uporabo.
Mešanica za omet je sestavljena iz ilovnatega prahu (I), peščenega agregata frakcije 0 – 4 mm (P) in vode (V). Razmerje mešanice je I:P:V = 1:3:4. Za dodatno ojačitev in vezavo ometa smo dodali stebla slame.
2.3.2 Apneni omet
Zunanji ometi so iz mešanice gašenega apna (A), peska (P) in vode (V). Kot vezivo je zopet dodana slama. Razmerje mešanice je A:P:V = 1:3:3.
2.3.3 Slamnate bale
Uporabljene so bale iz slame pšenice. Le ta je bila požeta in zbalirana v poznem poletju, po več zaporednih suhih dnevih. Tako smo zagotovili nizko vlažnost pridobljenih slamnatih bal. Rezana je bila nekoliko višje nad tlemi, da smo pridobili le čisto slamo. V obdobju rezanja je večina semen že odpadla, tako da smo v balah zmanjšali možnost pojava škodljivcev. Slamnate bale smo še nekaj časa pred uporabo skladiščili na suhem in jih nato v kratkem času vgradili v steno, ter zaščitili z ometi. Dimenzija posamezne bale je 45 × 50 × 90 cm3. Masa posamezne bale je približno 20 kg (gostota ρ ≈ 100 kg/m3).
Med leseno konstrukcijo je bila tlačena vertikalno.
3 PODNEBNE ZNAČILNOSTI LOKACIJE
Testna družinska hiša je zgrajena v naselju Srednja Bela v občini Preddvor. Nahaja se na zemljepisni širini 46°17'46,85'' in zemljepisni dolžini 14°24'09,61'', ter na nadmorski višini 487 m [10]. Na sliki 4 je prikazana lokacija objekta na zemljevidu Slovenije.
Slika 4: Lokacija testnega objekta (Vir slike [10)])
Na lokaciji imamo zmerno-celinsko podnebje s submediteranskim padavinskim režimom. Zanj so značilne hladne zime s snežnimi padavinami in topla poletja. Oktobrske temperature so v povprečju višje od aprilskih [11]. V zimskem času je na lokaciji zanemarljivo malo meglenih dni. Povprečna letna količina padavin je med 1300 mm in 2500 mm, povprečna letna hitrost vetra 10 m nad tlemi lokacije pa je 1 – 2 m/s [10].
3.1 Podnebni podatki
Na spletnih straneh ARSO najdemo statistične podatke o podnebnih razmerah v bližnji okolici lokacije.
Najbližja meteorološka postaja je na Brniku, približno 10 km zračne linije od obravnavane lokacije, od koder so vzeti mesečni podatki o povprečnih temperaturah in relativni vlažnosti [12]. Prikazani so podatki za obdobje desetih let, od januarja 2007, do decembra 2017.
Grafikon 1 prikazuje povprečne najnižje in najvišje dnevne temperature za obdobje 10 let. Povprečno najbolj mrzel dan je v januarju, s povprečno najnižjo dnevno temperaturo -3,7 °C, ter povprečno najvišjo 4,2 °C. V mesecu juliju je izmerjen povprečno najtoplejši dan, s povprečno najnižjo dnevno temperaturo 14 °C, ter povprečno najvišjo 27,3 °C. Zimski meseci, v katerih se pojavlja povprečna minimalna dnevna temperatura pod lediščem so december januar, februar in marec. Povprečne dnevne temperature se do meseca julija približno enakomerno dvigajo, nato pa do januarja zopet enakomerno padajo.
Grafikon 1: Povprečna mesečna temperatura izmerjena na meteorološki postaji Brnik [12]
Grafikon 2 prikazuje mesečno povprečje dnevnih najnižjih (RH, min) in najvišjih (RH, max) relativnih vlažnosti za obdobje 10 let. Povprečna RH, max je merjena ob 7:00 uri in se giblje med 83 in 95 %.
Povprečna RH, min pa je merjena ob 14:00 uri in se giblje med 52 in 81 %. Povprečne RH, max imajo v primerjavi s povprečnimi RH, min večje razlike med mesečnimi povprečji.
Grafikon 2: Povprečna mesečna relativna vlažnost izmerjena na meteorološki postaji Brnik [12]
4. METODE DELA
4.1 Merilne naprave
V nadaljevanju so predstavljene merilne naprave, ki smo jih uporabljali za izvedbo meritev na objektu.
4.1.1 Podatkovni zapisovalnik AHLBORN ALMEMO 2590
Za shranjevanje podatkov iz senzorjev smo uporabili podatkovni zapisovalnik AHLBORN ALMEMO 2590 [13] (slika 5). Slednji omogoča zapis do 10 meritev na sekundo, v več kot 65 standardnih merilnih območjih. Naše meritve so bile nastavljene na 5 minutni interval. Zapisovalec podatkov je kompatibilen s senzorji ALMEMO. Nanj lahko priključimo do štiri senzorje za merjenje različnih količin. V našem primeru smo nanj priključili ploščico za merjenje toplotnega toka, senzor koncentracije CO2, senzor zunanje kontaktne temperature, ter senzor temperature in relativne vlažnosti znotraj hiše. Grafični zaslon ima možnost pregleda nad podatki, le-ti pa se zapisujejo tudi v spomin. Izmerjene podatke lahko prenesemo v Excelov dokument.
Slika 5: Podatkovni zapisovalnik AHLBORN ALMEMO 2590 (lasten vir)
Prikaz pozicij posameznih senzorjev, ki smo jih povezali s podatkovnim zapisovalnikom, je na sliki 6.
Prikazan je izsek tlorisa objekta, in sicer JZ del hiše.
Slika 6: Postavitev senzorjev (notranji in zunanji točkovni senzor za temperaturo (Tn in Tz) in relativno vlažnost (RHn in RHz), senzor za merjenje koncentracije CO2, senzorji za merjenje kontaktne temperature (Tnk in Tzk) in merilna ploščica za merjenje gostote toplotnega toka (q)), (lasten vir)
4.1.2 Senzor gostote toplotnega toka AHLBORN FQAO18T
Za merjenje gostote toplotnega toka (q) skozi steno, smo uporabili merilno ploščico AHLBORN FQAO18T [14]. Slednja meri tudi kontaktno temperaturo stene (Tnk). Ploščica je dimenzij 120x120x1,5 mm3 in je premazana z epoksi smolo. V ploščico je vgrajen termočlen. Pri minimalni razliki temperatur na obeh straneh ploščice, skozi senzor steče električni tok. Ta pa je podlaga za izračun gostote toplotnega toka. Merilno ploščico smo postavili na zunanjo steno dnevnega prostora. Stena ima južno orientacijo, a je zunanjost ves čas zasenčena z nadstreškom. Lokacija merilne ploščice je prikazana na sliki 7.
Nameščena je 160 cm od tal in 70 cm od balkonskih vrat.
Slika 7: Postavitev merilne ploščice (prikazana je notranja stran zunanje stene), (lasten vir)
4.1.3 Senzor temperature in relativne vlažnosti zraka AHLBORN FHAD46-C41
Merilno tipalo izmeri temperaturo in relativno vlažnost zraka [15]. Poleg tega meri tudi atmosferski tlak.
Lahko izračuna tudi točko rosišča.
Senzor smo namestili v notranjost prostora, približno 1 meter od stene (slika 8). Z njim merimo notranjo temperaturo zraka (Tn) in notranjo relativno vlažnost zraka (RHn)
Slika 8: Senzor temperature in relativne vlažnosti zraka AHLBORN FHAD46-C41 (desno) in senzor za merjenje količine delcev CO2 AHLBORN FY0D00CO2B05 (levo) (lasten vir)
4.1.4 Termočlen Ni-Cr
Za merjenje kontaktne temperature na zunanji strani stene smo uporabili termočlen Ni-Cr (slika 9).
Termočlen je sestavljen iz dveh kovinskih žic, iz niklja in kroma, kateri sta na enem koncu zvarjeni. Ob temperaturni razliki na obeh stikih termočlena, skozenj steče električni tok, na podlagi katerega se izračuna dejanska kontaktna temperatura materiala.
Termočlen je pritrjen na zunanjo stran stene, nasproti plošče za merjenje gostote toplotnega toka. Z njim merimo zunanjo kontaktno temperaturo (Tzk).
Slika 9: Termočlen Ni-Cr (lasten vir)
4.1.5 Merilnik in zapisovalnik temperature in relativne vlažnosti zraka USB VOLTCRAFT DL- 121TH
Za merjenje temperature in relativne vlažnosti zraka smo uporabili tudi samostojni USB senzor- zapisovalec podatkov. Slednji omogoča zapisovanje 32000 izmerjenih vrednosti v izbranem časovnem intervalu. Shranjene podatke nato preko USB vmesnika prenesemo v prilagojeno programsko opremo na računalnik [16].
Slika 10: Merilnik in zapisovalnik temperature in relativne vlažnosti zraka USB VOLTCRAFT DL- 121TH (Vir slike [16])
Senzor smo namestili zunaj hiše, približno 1 meter od stene, za merjenje zunanjih pogojev.
Uporabili smo še en senzor, ki smo ga namestili v notranjost hiše, ko smo s pomočjo izolirane škatle želeli ustvariti bolj konstantne notranje pogoje (opisano v nadaljevanju).
4.1.6 Senzor za merjenje koncentracije CO2 AHLBORN FY0D00CO2B05
Uporabili smo še senzor za merjenje koncentracije CO2. Merilni razpon je od 0 do 5000 ppm [17].
Postavili smo ga v notranjosti hiše, v dnevni prostor. Nameščen je približno en meter od zunanje stene, skupaj s senzorjem za Tn in RHn (slika 8). Senzor meri koncentracijo CO2 v hiši, na podlagi česar, lahko določimo čas zračenja hiše, kurjenja kamina, ali povečanega števila oseb v prostoru. To je razvidno iz očitnih skokov koncentracije na dobljenih grafičnih rezultatih (prikazanih v nadaljevanju).
4.2. Laboratorijski testi – merjenje toplotne prevodnosti materialov
Z merilnikom za merjenje toplotne prevodnosti smo določili toplotno prevodnost ilovnatih in apnenih ometov [19]. Toplotna prevodnost je določena v skladu s standardom: SIST EN 12667:2002 – »Toplotne karakteristike gradbenih materialov in proizvodov – Ugotavljanje toplotne upornosti z zaščiteno vročo ploščo in/ali merilniki toplotnih tokov. Proizvodi z visoko ali srednjo toplotno upornostjo.«
Preizkušance smo pripravili v laboratoriju. Mešanice za omete smo zamešali v razmerjih, opisanih v poglavju 2.3. Priprava mešanic za omete je prikazana na slikah 11 in 12.
Slika 11: Priprava mešanice za ilovnate omete
Slika 12: Priprava mešanice za apnene omete
Posamezne mešanice smo nato vlili v pripravljene kalupe iz stirodura (slika 13), jih zvibrirali in zgladili.
Tako pripravljene preizkušance smo pustili en mesec, da so se posušili in strdili (slika 14).
Slika 13: Priprava kalupov
Slika 14: Preizkušanci, pripravljeni na sušenje in strjevanje
Slika 15: Nameščanje vzorcev na merilnik toplotne prevodnosti
Suhe vzorce smo nato namestili na napravo za merjenje toplotne prevodnosti (slika 15). Merilno napravo sestavljajo grelna plošča, senzor toplotnega toka in termočlen NiCr. Na kalup z vzorcem je nameščena ploščica za merjenje toplotnega toka in kontaktne temperature. Kalup je postavljen na grelno ploščo. Na drugi strani vzorca pa je nameščen termočlen NiCr, za merjenje kontaktne temperature. Grelna plošča segreva vzorec. Po določenem času se toplotni tok skozi vzorec ustali, in prav tako sprememba kontaktnih temperatur na obeh straneh vzorca.
4.2.1 Izračun toplotne prevodnosti apnenega ometa
Grafični potek gostote toplotnega toka skozi vzorec apnenega ometa, ter sprememba temperature skozi vzorec je prikazan na grafikonu 3.
Grafikon 3: Gostota toplotnega toka skozi vzorec apnenega ometa in sprememba temperatur na obeh straneh vzorca
Po približno treh urah se toplotni tok skozi vzorec ustali. Vrednosti spremembe temperature in gostote toplotnega toka po preteku tega časa smo povprečili. Prikazane so v tabeli 1.
Tabela 1: Vzorec apnenega ometa - izmerjene vrednosti
Iz enačbe 1 smo izračunali toplotno prevodnost 𝜆 za posamezni vzorec materiala.
λ = 𝑞 ∗ 𝑣
∆𝑇 [ W
m K] (1)
Izračun toplotne prevodnosti za vzorec apnenega ometa prikazuje enačba 2.
λ𝑎= 64,3W
m2 ∗ 0,059 m
6,69 K = 0,57 W mK
(2)
Sistemska napaka, ki se pojavlja pri meritvi, je uhajanje toplote. Bolj, ko je preizkušanec toplotno izoliran, manjša je merilna napaka. Prav tako imamo napako v debelini vzorca, saj se je le-ta ob sušenju v kalupu nekoliko skrčil. Napako v debelini vzorca smo ocenili na ± 5 mm. Celotno napako meritve smo ocenili na ± 10 %. Rezultat prikazuje enačba 3.
λ𝑎 = 0,57 W
mK 1 ± 10 % = (0,57 ± 0,06) 𝐖
𝐦𝐊 (3)
4.2.2 Izračun toplotne prevodnosti ilovnatega ometa
Grafični potek gostote toplotnega toka skozi vzorec ilovnatega ometa, ter sprememba temperature skozi vzorec je prikazan na grafikonu 4.
Grafikon 4: Gostota toplotnega toka skozi vzorec ilovnatega ometa in sprememba temperatur na obeh straneh vzorca
Po približno treh urah se toplotni tok skozi vzorec ustali. Vrednosti spremembe temperature in gostote toplotnega toka po preteku tega časa smo povprečili. Prikazane so v tabeli 2.
Tabela 2: Vzorec ilovnatega ometa - izmerjene vrednosti
Izračun toplotne prevodnosti za vzorec ilovnatega ometa prikazuje enačba 4.
λ𝑖= 65,6 W
m2 ∗ 0,059 m
6,16 K = 0,63 W mK
(4)
Celotno napako smo ocenili na ± 10 %. Rezultat prikazuje enačba 5.
𝜆i = 0,63 W
mK 1 ± 10 % = 0,63 ± 0,06 𝐖
𝐦𝐊
(5)
4.3. Laboratorijski testi – določitev difuzijske konstante posameznih materialov po metodi suhih čaš
Določitev difuzijske konstante posameznih materialov po metodi suhih čaš smo izvedli v skladu s standardom EN ISO 12572. Dobro posušene vzorce ilovnatih in apnenih ometov smo zatesnili v za to namenjene modele. Modeli imajo na zgornji in spodnji strani izrezano odprtino, da vzorčni material lahko diha in izloča vlago. Premer posameznega vzorca je 120 mm, višina pa 36 mm. Pripravili smo tudi dva modela s polno spodnjo plastjo in vanju do višine 20 mm nasuli sol – kalcijev klorid dihidrat (CaCl2 (H2O)2). Slednja nase veže vlago iz vzorca in v čaši vzdržuje praktično popolnoma suh zrak. Pri računanju difuzijske upornosti vzamemo, da je znotraj čaše delni tlak vodne pare enak nič. Pripravo vzorcev prikazujeta sliki 16 in 17.
Slika 16: Zatesnjeni vzorci apnenih in ilovnatih ometov (zgoraj) in nasuta sol v modelu (spodaj)
Slika 17: Kalcijev klorid dihidrat CaCl2 (H2O)2
Modele z vzorci smo nato zatesnili nad posodice s soljo in jih postavili v prostor, kjer smo ves čas spremljali notranje pogoje (slika 18).
Slika 18:Vzorci v prostoru s kontroliranimi pogoji (T = 18,92°C, RH = 43,53%)
Sledilo je tehtanje vzorcev. Primer tehtanja prikazuje slika 19.
Slika 19: Tehtanje vzorcev
V dveh mesecih smo izvedli 24 meritev. Rezultate prikazuje tabela 3.
Tabela 3: Rezultati tehtanja vzorcev
S pridobljenimi meritvami, smo lahko izvedli postopek izračuna difuzijske upornosti za posamezni material.
Količine za izračun difuzijske upornosti snovi, µ [/] so sledeče:
- Povprečna temperatura zraka v sobi, Ts = 17,3 °C = 290,45 K - Povprečna relativna zračna vlažnost v sobi, RHs = 55,6 %
- Povprečni zračni tlak v sobi, 𝑝𝑠 (enačbi 6 in 7):
𝑝𝑠 [Pa] =𝑅𝐻 [%]
100 ∗ 610,5 ∗ 𝑒
17,269∗𝑇[°C]
237,3+𝑇[°C] (6)
𝑝𝑠=55 [%]
100 ∗ 610,5 ∗ 𝑒
17,269∗17,2[°C]
237,3+17,2[°C] = 𝟏𝟎𝟖𝟎 𝐏𝐚 (7)
Izračunan je delni zračni tlak v sobi, pri povprečnih vrednostih temperature in relativne vlažnosti zraka v sobi. Dejanska sprememba delnega tlaka vodne pare v sobi pa je prikazana na grafikonu 5.
Grafikon 5: Potek delnega zračnega tlaka (𝑝𝑠) v sobi
- Zračni tlak v notranjosti čaše (sol absorbira vso vlago), 𝑝𝑣 (enačba 8):
𝑝𝑣 [Pa] = 0 Pa (8)
- Tlačna razlika med zračnim tlakom v sobi in notranjostjo čaše (enačba 9):
𝑝 = 𝑝𝑠− 𝑝𝑣= 1080 Pa = 𝟏, 𝟎𝟖 𝐤𝐏𝐚 (9)
- Gostota difuznega toka vodne pare, g
Slednjo izračunamo iz naklonov premic v grafičnem prikazu odčitkov meritev tehtanja vzorcev, ter iz povprečne površine vzorca. Gostoto difuznega toka vodne pare izračunamo po enačbi 10.
𝑔 = (𝑚
𝑡 )/𝑆 [ g
m2 h] (10)
Izračun za apneno mešanico (enačba 11):
𝑔𝑎= (𝑚𝑎
𝑡 )/𝑆𝑎 (11)
Pri čemer je 𝑚𝑎
𝑡 naklon premice (grafikon 6), 𝑆𝑎 pa povprečna površina vzorca apnenega ometa (izračunana je iz povprečja zgornjega in spodnjega premera vzorca). Rezultat izračuna gostote difuznega toka vodne pare za apneno mešanico prikazuje enačba 12.
𝑔𝑎= 0,00871 g h
0,00639 m2= 𝟏, 𝟒 𝐠 𝐦𝟐 𝐡
(12)
Grafikon 6: Sprememba mase apnene mešanice po urah
Izračun gostote difuznega toka vodne pare za ilovnato mešanico (enačba 13):
𝑔𝑖 = (𝑚𝑖
𝑡 )/𝑆𝑖 (13)
Pri čemer je 𝑚𝑖
𝑡 naklon premice (grafikon 7), 𝑆𝑖 pa povprečna površina vzorca ilovnatega ometa.
Rezultat izračuna gostote difuznega toka vodne pare za ilovnato mešanico prikazuje enačba 14.
𝑔𝑖 = 0,0065 g h
0,00639 m2= 𝟏, 𝟎 𝐠 𝐦𝟐 𝐡
(14)
Grafikon 7: Sprememba mase ilovnate mešanice po urah
- Gostoto difuznega toka vodne pare lahko izračunamo tudi po standardu ISO 13788:2012:
𝑔 = 0.72 g
kPa m h∗ ( 𝑝
𝑟 ) = 𝑔 = 0.72 g
kPa m h∗ ( 𝑝
µ ∗ 𝑑) (15)
,kjer je r= µ * d upor prehoda vodne pare, µ difuzijska upornost in d debelina plasti.
Če enačbo nekoliko preuredimo, lahko z uporabo izmerjenih in poračunanih vrednosti izračunamo difuzijske upornosti posameznih materialov.
- Difuzijska upornost snovi, µ [/] (enačbi 16 in 17):
µ𝑎 = 0,72 g
kPa m h∗ 𝑝
𝑔𝑎∗ 𝑑𝑎 =0,72 g
kPa m h∗ 1,08 kPa 1,4 g
m2 h∗ 0,036 m = 𝟏𝟔
(16)
µ𝑖 = 0,72 g
kPa m h∗ 𝑝
𝑔𝑖∗ 𝑑𝑖 =0,72 g
kPa m h∗ 1,08 kPa 1,0 g
m2 h∗ 0,036 m = 𝟐𝟐
(17)
5. REZULTATI MERITEV NA OBJEKTU
5.1. Meritve 5.2. – 10.2.2021
Z meritvami na objektu smo pričeli v začetku februarja. Želeli smo ujeti čim bolj konstantne zunanje in notranje pogoje, pri čemer bi lahko predpostavili stacionarno stanje. Na podlagi gostote toplotnega toka v tem času, bi nato lahko dovolj natančno izračunali toplotno prehodnost konstrukcijskega sklopa zunanje stene. Z upoštevanjem že pridobljenih materialnih karakteristik posameznih slojev v konstrukcijskem sklopu, bi lahko izračunali še toplotno prevodnost slamnatih bal (𝜆𝑠), ki je zadnji ključni podatek, za izvedbo računskega modela.
Grafikon 8 prikazuje meritve temperatur in gostote toplotnega toka za obdobje od 5.2. do 10.2. 2021. V teh petih dneh se je pokazalo, da so pogoji na obeh straneh stene zelo dinamični.
Notranje kontaktne temperature (Tnk) se gibljejo med 19 in 24°C (ΔT = 5°C), zunanje kontaktne temperature (Tzk) pa se gibljejo med 5 in 12°C (ΔT = 7°C).
Grafikon 8: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka (5.2. – 10.2.2021)
Grafikon 9: Meritve gostote toplotnega toka in koncentracije CO2 (5.2. – 10.2.2021)
Graf gostote toplotnega toka je močno skokovit. Željenega stacionarnega stanja, v tem primeru, ni mogoče doseči. Ugotovili smo, da je dinamika notranjih in zunanjih razmer prevelika. Rezultat, ki ga dobimo, kaže, kot bi toplotni tok večino časa minimalno tekel od zunaj proti notranjosti hiše. Saj je v najbolj umirjenem stanju toplotni tok rahlo negativen (približno -2 W/m2). To bi lahko pomenilo, da je v tovrstno zgrajeni hiši prisoten stalen vlek. Slednji ploščico s strani, ki ni stisnjena ob steno ohlaja, da le-ta kaže potek toplotnega toka proti notranjosti hiše.
Opazi se tudi vpliv dimnika, zaradi katerega zrak močno cirkulira, kar kaže tudi graf koncentracije CO2
(grafikon 8). Iz grafa lahko vidimo tudi, da se stavba v nočnem času v celoti prezrači. To je posledica špranj v vhodnih vratih, dimnika in rahlo odprtih oken v spalnici. Eden takšnih intervalov je prikazan na grafikonu 8, med podatkovnima oblakoma (med 21-to in 5-to uro), ko koncentracija delcev CO2 do jutra pade na nivo zunanjega zraka.
Naslednja opazka so izraziti vrhovi na grafu. Če primerjamo grafa gostote toplotnega toka in koncentracije CO2, lahko vidimo, da vrhovi obeh grafov sovpadajo. Kadar popolnoma prezračimo hišo (z odprtjem vseh oken), graf gostote toplotnega toka pokaže špico, ki gre močno v negativno smer. To je posledica prepiha na merilni ploščici.
Naslednji moteč dejavnik je sevanje peči, ki je postavljena nasproti merilne ploščice, na drugi strani prostora. Ko peč zakurimo, ta toploto oddaja tudi s sevanjem in na hitro pretirano ogreje ploščico.
Slednja pokaže močan toplotni tok proti zunanjosti hiše. Tako se pojavijo vrhovi v pozitivni smeri.
5.2. Meritve 12.2. – 17.2.2021 (prvi popravek)
Da bi omejili moteče dejavnike iz notranjosti hiše in poskusili dobiti čim bolj stacionarne pogoje v notranjosti, smo izvedli sledeči popravek.
Nad senzorno ploščico smo zatesnili večjo škatlo, izolirano z 2 cm XPS in obdano z ALU folijo (slika 20).
Slika 20: Prvi popravek: izolirana škatla nad senzorjem gostote toplotnega toka
V tem primeru smo dodali še točkovni senzor za merjenje temperature (Tns) in relativne vlažnosti (Rhns) v škatli. V škatli smo želeli zagotoviti čim bolj enakomerne pogoje, s čimer bi lažje dosegli stacionarni toplotni tok (v primeru čim bolj enakomernih zunanjih pogojev).
V tem primeru so bili zunanji pogoji bolj ekstremni, tako da nam še ni uspelo dobiti vsaj približno stacionarnega stanja (razlika Tzk je bila okoli 20°C)
Grafikon 10 prikazuje potek temperatur in gostote toplotnega toka v merjenem obdobju.
Notranje kontaktne temperature (Tnk) se gibljejo med 19 in 24°C (ΔT = 5°C). Temperature v škatli (Tns) se gibljejo med 18 in 25°C (ΔT = 6°C), vendar veliko bolj neenakomerno od kontaktnih temperatur.
Zunanje kontaktne temperature (Tzk), pa se gibljejo med -7 in 17°C (ΔT = 24°C). Zunaj imamo zelo dinamične pogoje, tako, da je bilo stacionarno stanje zopet nemogoče doseči.
Grafikon 10: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka (12.2. – 17.2.2021)
Potek gostote toplotnega toka pa se je s postavitvijo izolirane škatle bolj umiril in stabiliziral. Prav tako ni več večinsko negativen, torej pravilno kaže, da tok teče iz hiše ven. Čez ploščico ni več prepiha zaradi cirkulacije zraka. Prav tako nanjo ne vpliva več sevanje kamina. Graf toplotnega toka je še vedno skokovit, saj so bile razmere na obeh straneh stene zelo dinamične. Ker se hiša ogreva le s kaminom, tudi v notranjosti hiše ni bilo mogoče ustvariti enakomerne temperature.
V najbolj umirjenem stanju je sedaj gostota toplotnega toka rahlo pozitivna (približno 0,2 W/m2), in se tudi sicer v povprečju giblje med vrednostma 0 in 5 W/m2,kar je prikazano na grafikonu 9.
Iz primerjave potekov gostote toplotnega toka in (q) in temperature v škatli (Tns) vidimo, da sta poteka teh dveh vrednosti povezana med sabo. Tudi skoke imata na enakih mestih. Lahko sklepamo, da graf za gostoto toplotnega toka ne odseva realnega stanja. Vemo, da merilna ploščica iz razlike temperatur na vsaki strani ploščice preračuna gostoto toplotnega toka. Ko sta Tns (temperatura v škatli) in Tnk (notranja kontaktna temperatura) čim bolj podobni je gostota toplotnega toka najbolj merodajna. Zaradi prevelike dinamike med tema dvema količinama, je to težko doseči.
Grafikon 11 vedno prikazuje soodvisnost med koncentracijo CO2 in gostoto toplotnega toka. Še vedno opazimo odvisnost zaradi spremembe notranje temperature ob prezračevanju hiše. Na grafu je dobro viden nočni in dnevni režim. Hipno naraščanje koncentracije CO2, pomeni kurjenje kamina, postopno zniževanje pa nočni čas. Ker so v tako dinamičnih razmerah temperature na obeh straneh stene ves čas neenakomerne, je graf toplotnega toka zelo skokovit.
Grafikon 11: Meritve gostote toplotnega toka in koncentracije CO2 (12.2. – 17.2.2021)
.
6. PRIDOBIVANJE PODATKOV ZA TOPLOTNO PREVODNOST SLAMNATIH BAL (λs)
Razmere v merjenem objektu so zelo dinamične. Pridobljene izkušnje so pokazale, da s tovrstno merilno opremo, ne moremo pridobiti pravilnih željenih rezultatov.
Podatke za toplotno prehodnost konstrukcijskega sklopa smo tako pridobili z drugega objekta (v nadaljevanju: objekt 2), na katerem se že dalj časa opravljajo podobne meritve. Slednji se nahaja na območju Radomelj, in ima identično zasnovano sestavo zunanje stene, kot naš merjeni objekt [20].
Objekt 2 ima senzor za merjenje gostote toplotnega toka nameščen v prostoru, ki je večinsko namenjen le za shranjevanje in ima tako notranje razmere bolj konstantne.
Grafikon 12 prikazuje meritve, pridobljene v obdobju od 14.12. 2018 do 21.12.2018.
Iz prikazanih rezultatov, lahko izločimo intervale s približno konstantno gostoto toplotnega toka q. Ti intervali so vsi približno enako dolgi. Pojavljajo se v nočnem času, ko se razmere v hiši najbolj umirijo.
Za izbrane intervale smo določili povprečno temperaturno razliko in gostoto toplotnega toka (tabela 4).
Na koncu smo določili povprečne vrednosti obeh količin.
Grafikon 12: Meritve temperatur in gostote toplotnega toka, objekt 2 (14.12. – 21.12.2018)
Tabela 4: Vrednosti intervalov
Povprečno toplotno upornost R, za celotno steno, smo določili po enačbi 18.
𝑅 = ∆𝑇
𝑞 = 𝟓, 𝟓𝟏𝐊 𝐦𝟐 𝐖
(18)
Nato smo izračunali toplotno prevodnost slame (λs), po enačbah 19 in 20:
𝑑𝑠
λ𝑠= 𝑅 − (𝑑𝑎
λ𝑎−𝑑𝑖
λ𝑖) − 𝑅𝑠𝑖− 𝑅𝑠𝑒 = (5,51 − (0,1
0,57+0,15
0,63) − 0,04 − 0,13)K m2
W = 4,93 K m2
W (19) , kjer je 𝑅𝑠𝑖 toplotni upor notranje mejne zračne plasti, 𝑅𝑠𝑒 pa je toplotni upor zunanje mejne zračne plasti. Povzete so standardne vrednosti (Medved, 2010).
λ𝑠= 0,45 4,93
W
m K= 𝟎, 𝟎𝟗 𝐖 𝐦 𝐊
(20)
Podatki iz katerih smo izhajali pri izračunu toplotne prevodnosti slame so prikazani v tabeli 5. Ocenjena je 10% napaka, zaradi napake v debelini vzorcev, ki je ± 5 mm.
Tabela 5: Materialne lastnosti posameznih slojev stene Toplotna prevodnost λ [𝐖
𝐦 𝐊] Debelina vzorca d[m]
Apneni omet 0,57 ± 0,06 0,1 ± 0,005
Slamnate bale 0,09 (izračunana vrednost) 0,45
Ilovnati omet 0,63 ± 0,06 0,15 ± 0,005
7. GLASERJEVA METODA
Ko smo pridobili vse podatke o snovnih lastnostih konstrukcijskega sistema, smo preverili ali zaradi prehoda vodne pare skozi steno v zimskih mesecih pride do kondenzacije. Za izračun smo uporabili Glaserjevo metodo, ki je opisana v standardu SIST ISO 13788:2002 (Medved, 2010). Za vsak mesec v letu so po predpostavki uporabljeni stacionarni robni pogoji. Za robne pogoje so vzete povprečne vrednosti temperatur in relativnih vlažnosti. Izračun se nanaša na tipično zgrajeno hišo iz bal slame, ometano z apnom in ilovico, na območju osrednje Gorenjske (okolica Brnika). Podnebne podatke, potrebne za izračun, smo vzeli iz meteorološke postaje Brnik (grafikona 1 in 2). Prikazani so tudi v tabelah 6 in 7.
Tabela 6: Mesečna povprečja temperatur zunanjega zraka - meteorološka postaja Brnik, za obdobje 2007 - 2017
Tmax [°C] Tmin [°C] Tpovprecna [°C]
jan 4,18 -3,69 -0,06
feb 5,91 -3,27 0,77
mar 11,65 -0,38 5,19
apr 17,29 3,91 10,6
maj 21,2 8,37 14,82
jun 24,83 12,39 18,66
jul 27,32 14,1 20,59
avg 26,67 13,47 19,76
sep 21,25 9,75 14,88
okt 15,31 5,29 9,6
nov 9,57 1,9 5,28
dec 3,92 -3,26 -0,04
---; vrednosti uporabljene za izračun
Tabela 7: Mesečna povprečja relativne vlažnosti zunanjega zraka - meteorološka postaja Brnik, za obdobje 2007 - 2017
RH ob 7:00 [%] RH ob 14:00 [%] RH povprecna [%]
jan 93,9 77 87,2
feb 92,7 68,9 83
mar 90,7 55 74,8
apr 88,4 51,4 71,7
maj 84,6 52,7 71,9
jun 84,1 54,7 73
jul 83 51,9 71,7
avg 88,1 52,4 74,4
sep 94,4 60,3 81,4
okt 94,9 67,2 84,3
nov 94,7 78 88,8
dec 94,6 81 89,7
Za namen izračuna smo vzeli vrednosti, ki so bolj kritične. Tako smo v hladnih mesecih (v času ogrevalne sezone) upoštevali minimalne temperature. Za ostale, toplejše mesece, pa smo upoštevali mesečna povprečja (tabeli 6 in 7).
Za notranje razmere smo upoštevali standardne vrednosti za doseganje bivalnega ugodja. Prikazane so v tabeli 8.
Tabela 8: Standardni bivalni pogoji (Medved, 2010) Temperatura zraka znotraj hiše 20 °C Relativna vlažnost notranjega zraka 65 %
6.1. Izračun difuzije vodne pare po mesecih
6.1.1 Hladno obdobje (kondenzacija)
Izračun pričnemo s prvim mesecem, v katerem se v steni pojavi kondenzacija vodne pare. To se v našem primeru zgodi oktobra. Vhodni podatki za izračun so prikazani v tabeli 9.
Tabela 9: Glaserjeva metoda, vhodni podatki za oktober
mesec Ti [°C] 𝜑i [%] Te [°C] 𝜑e [%]
Oktober 20 65 5,29 94,9
Pri čemer so:
- Ti [°C] – temperatura zraka v hiši - Te [°C] – temperatura zunanjega zraka
- 𝜑i [%] – računska relativna vlažnost zraka v hiši - 𝜑e [%] – računska relativna vlažnost zunanjega zraka
Nasičene parne tlake smo izračunali po enačbi 21.
𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 = 611 ∗ 𝑒
17,08∗𝑇
234,18+𝑇 (21)
Delne parne tlake smo nato dobili po enačbi 22.
𝑝𝑣 = 𝜑 ∗ 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (22)
Potek izračuna za mesec oktober je sledeč:
Nasičeni parni tlak vodne pare v hiši (enačba 23):
𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (20°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗20°C
234,18+20°C= 2,343 kPa (23)
Delni parni tlak vodne pare v hiši (enačba 24):
𝑝𝑣𝑖 = 𝜑 ∗ 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 = 0,65 ∗ 2,343 kPa = 1,523 kPa (24)
Nasičeni parni tlak vodne pare zunaj (enačba 25):
𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (5,29°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗5,29°C
234,18+5,29°C= 0,891 kPa (25)
Delni parni tlak vodne pare zunaj (enačba 26):
𝑝𝑣𝑒 = 𝜑 ∗ 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 = 0,949 ∗ 0,465 kPa = 0,846 kPa (26)
Izračunali smo še upor prehoda vodne pare posameznega sloja (r), po enačbi 27. Vhodni podatki za izračun so prikazani v tabeli 10. Rezultati so prikazani v tabeli 11.
𝑟𝑖 = 𝑑𝑖∗ µ𝑖 (27)
Tabela 10: Vhodni podatki za izračun upora prehoda vodne pare r
Difuzijska upornost µ [/] Debelina vzorca d[m]
Apneni omet 16 0,1
Slamnate bale 1 (predpostavljena vrednost) 0,45
Ilovnati omet 22 0,15
Tabela 11: Upor prehoda vodne pare r
Upor prehoda vodne pare r [m]
Apneni omet 1,6
Slamnate bale 0,45
Ilovnati omet 3,3
Delne parne tlake na stikih ostalih slojev smo izračunali iz razmerij podobnih trikotnikov. Pri izračunu smo upoštevali delne parne tlake v hiši in zunaj nje, ter upore prehoda vodne pare posameznih slojev.
Toplotno upornost posameznega sloja Rsloja, smo izračunali po enačbi 28. Upornosti mejnih zračnih plasti pa povzeli po standardu [Medved, 2010].
𝑅𝑠𝑙𝑜𝑗𝑎 = 𝑑𝑠𝑙𝑜𝑗𝑎 λ𝑠𝑙𝑜𝑗𝑎
(28)
Vhodni podatki za izračun so navedeni v tabeli 12, rezultati pa v tabeli 13.
Tabela 12: Vhodni podatki za izračun toplotnih upornosti Toplotna prevodnost λ [𝐖
𝐦 𝐊] Debelina vzorca d[m]
Apneni omet 0,57 0,1
Slamnate bale 0,09 0,45
Ilovnati omet 0,63 0,15
Tabela 13: Toplotne upornosti slojev
Toplotna upornost zunanje mejne zračne plasti, Rse 0,04 m2K Toplotna upornost apnenega ometa, Rap 0,18 mW2K W
Toplotna upornost slamnatih bal, Rsl 4,93 m2K
W
Toplotna upornost ilovnatega ometa, Ril 0,24 m2K
W
Toplotna upornost notranje mejne zračne plasti, Rsi 0,13 m2K Celotna toplotna upornost sklopa, R 5,51 𝐦W𝟐𝐊 𝐖
S poznavanjem materialnih karakteristik stene (tabela 13) smo najprej izračunali toplotno prehodnost konstrukcijskega sklopa U (enačba 29), nato pa iz razlike med notranjimi in zunanjimi temperaturami, še gostoto toplotnega toka za mesec oktober (enačba 30).
𝑈 =1 𝑅= 1
5,51 m2K
W = 𝟎, 𝟏𝟖 𝐖
𝐦𝟐𝐊 (29)
𝑔 = 𝑈 ∗ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒) = 0,18 W
m2K∗ (20 − 5,29)K = 𝟐, 𝟔𝟓𝐖
𝐦𝟐 (30)
V nadaljevanju smo izračunali potek temperatur in pripadajoče nasičene parne tlake v konstrukcijskem sklopu.
- Na površini ilovnatega ometa (enačbi 31 in 32):
𝑇1= 𝑇𝑖− 𝑞 ∗ 𝑅𝑠𝑖= 294,15K − 2,65 W
m2∗ 0,13 m2K
W = 293,81K = 𝟏𝟗, 𝟔𝟔°𝐂 (31) 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (19,66°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗19,66°C
234,18+19,66°C= 𝟐, 𝟐𝟗𝟑 𝐤𝐏𝐚 (32)
- Sloj med ilovnatim ometom in slamnatimi balami (enačbi 32 in 33):
𝑇2= 𝑇1− 𝑞 ∗ 𝑅𝑖𝑙 = 293,81K − 2,65W
m2∗ 0,24 m2K
W = 293,17K = 𝟏𝟗, 𝟎𝟐°𝐂 (33) 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (19,02°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗19,02°C
234,18+19,02°C= 𝟐, 𝟐𝟎𝟒 𝐤𝐏𝐚 (34)
- Sloj med slamnatimi balami in apnenim ometom (enačbi 35 in 36):
𝑇3 = 𝑇2− 𝑞 ∗ 𝑅𝑠𝑙= 293,17K − 2,65 W
m2∗ 4,93 m2K
W = 280,12K = 𝟓, 𝟗𝟕°𝐂 (35) 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (5,97°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗5,97°C
234,18+5,97°C= 𝟎, 𝟗𝟑𝟒 𝐤𝐏𝐚 (36)
- Na površini apnenega ometa (enačbi 37 in 38):
𝑇4= 𝑇3− 𝑞 ∗ 𝑅𝑎𝑝 = 280,12K − 2,65W
m2∗ 0,18 m2K
W = 279,64K = 𝟓, 𝟒𝟗°𝐂 (37) 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠 (5,49°C)= 611 ∗ 𝑒
17,08∗5,49°C
234,18+5,49°C= 𝟎, 𝟗𝟎𝟒 𝐤𝐏𝐚 (38)
V tabeli 14 smo zbrali izračunane vrednosti temperatur in parnih tlakov na stikih v steni.
Tabela 14: Temperature in parni tlaki po slojih KS-ja (mesec oktober)
T [°C] Pnas [kPa] Pv [kPa]
Notri 20 2,343 1,523
Površina – ilovica 19,66 2,293 1,491
Ilovica – slama 19,02 2,204 1,095
Slama – apno 5,97 0,934 1,047
Površina – apno 5,49 0,904 0,857
Zunaj 5,29 0,891 0,846
Kondenzacija se pojavi takrat, ko so nasičeni parni tlaki nižji od delnih parnih tlakov. Iz tabele lahko razberemo, da se kritični stik pojavi na kontaktu slame in apnenega ometa.
Grafični prikaz poteka parnih tlakov vodne pare za mesec oktober je prikazan na grafikonu 13. Označen je tudi kritični stik.
Grafikon 13: Potek parnih tlakov vodne pare (mesec oktober)
Kondenzacija se pojavi v ravnini, na stiku med slamo in apnenim ometom (tabela 14). Za izračun količine vodne pare, ki se kondenzira v steni, uporabimo sledeči računski potek. Najprej izračunamo gostoto difuznega toka vodne pare, ki vstopa v steno in tok, ki iz nje izstopa (enačbi 39 in 40). Količino nabranega kondenza v steni pa izračunamo po enačbi 41.
𝑞𝑣𝑠𝑡𝑜𝑝= 072 ∗𝑝𝑣(𝑇𝑖) − 𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠(𝑇3) 𝑟1+ 𝑟2 [ g
m2h] (39)
𝑞𝑖𝑧𝑠𝑡𝑜𝑝 = 0,72 ∗𝑝𝑣𝑛𝑎𝑠(𝑇3) − 𝑝𝑣(𝑇𝑒) 𝑟3 [ g
m2h] (40)
∆𝑞 = 𝑞𝑣𝑠𝑡𝑜𝑝− 𝑞𝑖𝑧𝑠𝑡𝑜𝑝 [ g
m2h] (41)
2,293 2,204
0,934 0,904
1,491
0,857 0,00
0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
0 1 2 3 4 5 6
pv[kPa]
r[m]
Oktober
pv_nas pv
