Bauphsik
description
Transcript of Bauphsik
![Page 1: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/1.jpg)
BauphsikVorlesung 2 Std.
E.K. Tschegg, Labor für Materialwissenschaften E206-4, TU Wien
SS
Unterlagen Bauphysikwww.hochbau.tuwien.ac.at
Prof. Elmar [email protected]
![Page 2: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/2.jpg)
![Page 3: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/3.jpg)
![Page 4: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/4.jpg)
Bauphysik: Wärme, Feuchte, Schall, Licht, Niederschlag und Wind.
Physik, Chemie und Materialwissenschaften
Behaglichkeit/das Wohlbefinden der Bewohner: biologischen Forschungsbereichen Medizin und Physiologie.
![Page 5: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/5.jpg)
Bauphysik soll: die physikalischen Grundregeln in seinem Arbeitsbereich richtig anzuwenden. Sie verabreicht keineKonstruktionsrezepte, sondern versucht die physikalischen Gesetzmäßigkeiten für Vorgänge,welche in oder ums Gebäude ablaufen, aufzuzeigen und zu erklären, um sie anschließendbei der Konstruktion und/oder Sanierung schon in der Planungsphase richtig anwenden zukönnen
![Page 6: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/6.jpg)
I. Wärmetransportprozesse
![Page 7: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/7.jpg)
1. Wärmeleitung
Bei der Wärmeleitung, die hauptsächlich in festen Körpern und stehenden Flüssigkeiten stattfindet
![Page 8: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/8.jpg)
2. Wärmeströmung
Bei der Konvektion oder Warmeströmung, die nur in Gasen oder Flüssigkeiten stattfindet, wird die Wärme durch
Bewegungsvorgänge (Strömung oder Ortsänderung) transportiert.
![Page 9: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/9.jpg)
3. Wärmestrahlung
Bei der Wärmestrahlung wird die thermische Energie durch elektromagnetische Strahlung ohne "materiellen" Wärmeübertrager (auch im Vakuum) übertragen, d.h. es braucht keine Masse als Übertrager.
![Page 10: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/10.jpg)
«Solarhaus-Konzeption» von Sokrates
1 Sonneneinstrahlung auf die Südfassade im Sommer
2 Sonneneinstrahlung auf die Südfassade im Winter
3 Gedeckte Terrasse Wohnraum
4 Wohnraum,
5 Vorratsräume als thermische Pufferzone
6 Isolierwand gegen Norden
![Page 11: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/11.jpg)
1.3 Kurzer Abriss der Theorie der Wärmeleitung
Der Energietransport, der auf Grund eines Temperaturgefälles innerhalb eines Materials ohne Massentransport auftritt, wird Wärmeleitung genannt. Der Wärmestrom `Q, d.h.die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch die Querschnittsfläche A eines Körpers fließt, wächst proportional mit zunehmendem Temperaturgradienten dT/dx und zunehmender Fläche A.
![Page 12: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/12.jpg)
Die Wärmeleitfähigkeit λ wird durch Messungen an Probekörpern als charakteristische Materialgröße bestimmt.
![Page 13: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/13.jpg)
Metalle Isolatoren Wasser 0,58Ag 421 Natursteine 2,3-2,5 Aethylalkohol 0,18Cu 392 Eis (0°C) 2,23Chromstahl 20-40 Quarzglas 1,4 Gase
Stahlbeton 0,75-1,5 Ar 0,02Halbleiter Holz 0,14-0,2 Luft (trocken) 0,027Si 84 Glaswolle 0,06 N2 / O2 0,03Ge 59 Kork 0,04-00,6 Wasserdampf, ges0,02
Wärmeleitzahl ausgewählter Stoffe bei 20°C [W (m K) -1]
![Page 14: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/14.jpg)
Gesetz von Fourier den Wärme-transport durch ein Material
Wärmestromdichte q
Kontinuitätsgleichung
Fourier'sche Differentialgleichung
Material + Wärmequellen
![Page 15: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/15.jpg)
Stoff Rohdichte kg/m3
Wärmeleit-zahl W/mK
Spez.Wärme c Wh/m3K
Temp. Leitfähigkeita=/c m5/h kg
Stahl 7850 58 1092 531
Blei 11300 35 395 886
![Page 16: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/16.jpg)
Spezialfall: Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung den Fall der stationären eindimensionalen Wärmeleitung in homogenen Körpern
Geradengleichung
![Page 17: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/17.jpg)
Dieser Spezialfall der Wärmeleitung lässt sich somit analog behandeln wie die Frage nach der elektrischen Stromstärke I in einem elektrischen Leiter bei angelegter Spannung U =V1-V2. In beiden Fällen erzeugt eine Ursache (Temperaturgradient rsp Spannungsunterschied) eine Wirkung (Wärmefluss bzw. elektrischer Strom), die sich aber nur gegen den Widerstand des Transportmaterials einstellen kann
![Page 18: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/18.jpg)
)(
/121 xx
Wärmedurchlasswiderstand
Die Größe wird als Wärmedurchlasskoeffizient bezeichnet und ist in Analogie zur Elektrodynamik als eine Art Wärmeleitwert der betreffenden Materialschicht zu betrachten. (Dämmwert)
Wärmeleitfähigkeit λ [W(Km)-1]
![Page 19: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/19.jpg)
Messung von λ bei plattenförmigen Versuchskörper bei stationärer Wärmeströmung
t
Stark poröses Material mit Moosgummieinbetten.
Sämtliche Ritzen mit Korkmehl aus-füllen.
(Konvektion ausschalten)Schutzring : Reduziert Wärmeverluste;keine Berührung; mit Heizplatte
Ein-Platten-Verfahren oder zweite Platte wird durch Heizplatte ersetzt.
![Page 20: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/20.jpg)
1.4 Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen
PorengehaltDie in den Poren einge schlossene Luft hat eine geringere Wärmleitfähig keit als das porenum-schliessende Material.
PorengehaltDie in den Poren einge schlossene Luft hat eine geringere Wärmleitfähig keit als das porenum-schliessende Material.
PorengehaltDie in den Poren einge schlossene Luft hat eine geringere Wärmleitfähig keit als das porenum-schliessende Material.
Porengehalt
Die in den Poren eingeschlossene Luft hat eine geringere Wärmleitfähigkeit als das porenumschließende Material.
![Page 21: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/21.jpg)
FeuchtigkeitWasser leitet Wärme ca. 25 mal besser als Luft
![Page 22: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/22.jpg)
Rohdichte
Wärmeleitzahl von Baustoffen, abhängig von der Rohdichte
![Page 23: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/23.jpg)
Einfluss des Feuchtegehaltes des Baumaterials auf dessen Wärmeleitfähigkeit:
a) Mauerwerkstoffe
b) Schaumkunststoffe
![Page 24: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/24.jpg)
Temperatur
Wärmeleitzahl von Wärmedämmstoffen als Funktion der mittleren Materialtemperatur
![Page 25: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/25.jpg)
Die Baustoffe können hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit grob in drei Gruppen eingeteilt werden:
natürliche Steine: λ = 2,3 bis 3,5 W(mK)-1
Baustoffe aller Art: λ = 0,1 bis 2,3 W-(mK)-1
Dämmstoffe: λ = 0,02 bis 0,1 W(mK)-1
Die Wärmeleitzahl lässt sich am einfachsten für feste Körper bestimmen. Bei Flüssigkeiten und Gasen treten aufgrund von Temperaturdifferenzen Strömungen auf. Dabei wird zusätzlich Wärme durch Bewegung von Materieteilchen verschiedenen Wärmeinhaltes transportiert. Die Anwendung von λ -Werten ist dann nur noch bedingt möglich. So werden beispielsweise λ -Werte für Luftschichten zwischen Fensterscheiben angegeben, welche die Wärmeströmung (Konvektion) mitberücksichtigen.
![Page 26: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/26.jpg)
1.5 Wärmeübergang: Wärmetransport an der Mediengrenze Baustoff – Luft 1.5.1 Grenzschicht und Wärmeübergang
Am Übergang vom wärmeleitenden Festkörper zu einem gasförmigen Wärmeträger entsteht in einer sog. Grenzschicht aufgrund des thermischen Auftriebs eine Strömung.Innerhalb dieser Übergangsschicht existiert wegen der Temperaturdifferenz zwischen Festkörperoberfläche und Gas ein Temperaturgradient.
Der Wärmetransport durch diese Grenzschicht erfolgt neben Wärmeleitung im Gas hauptsächlich durch Konvektion (Wärmeströmung) und Strahlung.
![Page 27: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/27.jpg)
1.5.2 Der Wärmeübergangskoeffizient α
Nicht lineares Grenzschichtproblem ist rechnerisch schwer erfassbar.
Analogie zur Wärmeleitung der Wärmeübergang in erster Näherung durch einen Wärmeleitwert - den sog. Wärmeübergangskoeffizienten α dargestellt.
Dieser Koeffizient gibt an, welcher Wärmestrom Q/t im stationären Zustand bei einer Temperaturdifferenz von 1 K durch 1 m2 Übergangsfläche fließt...
![Page 28: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/28.jpg)
L: Leitung K: Konvektion S: Strahlung
Flüssigkeit,
![Page 29: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/29.jpg)
Beispiele von Geschwindigkeits- und Temperaturprofilen in der laminaren Grenzschicht der Luft entlang einer vertikalen Platte:a) freie Konvektion,b) erzwungene Konvektion, Tw > TL
c) erzwungene Konvektion, Tw < TL
![Page 30: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/30.jpg)
Der konvektive Anteil αK am Wärmeübergang
-freie Konvektion, Strömung durch thermische Auftriebskräfte bei konstantem Druck (Dichteänderungen), laminar oder turbulent;
- erzwungene Konvektion, Strömung infolge Druckdifferenz (z.B. Winddruck), vorwiegend turbulent.
![Page 31: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/31.jpg)
Die gesamte, sich aus allen drei Transportarten zusammensetzende Wärmeübertragung einer Wandoberfläche an die Luft bezeichnet man als Wärmeübergang.Der Wärmetransport durch Konvektion an Oberflächen wird hauptsächlich von folgenden Parametern beeinflusst:- Temperaturdifferenz Wandoberfläche - Luft - Windgeschwindigkeit (vW)- Art der Strömung: laminar - turbulent (Reynoldszahl Re)- Wärmestromrichtung (horizontal, vertikal auf- oder abwärts) - Oberflächenbeschaffenheiten (Rauhigkeit Ro)
- Geometrie und Abmessungen des Bauteils (Ecken, Nischen etc.)- Art des Mediums (z.B. Wasser, Öl, Gas))
![Page 32: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/32.jpg)
Der Wärmeübergangskoeffizient αK Funktion der Temperaturdifferenz
für den Fall freier Konvektion und turbulenter Strömung (z.B. Wand- und Deckenoberfläche gegen Innenräume)
![Page 33: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/33.jpg)
Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten αK von der
Windgeschwindigkeit bei turbulenter Strömung (z.B. Außenoberfläche einer Wand)
![Page 34: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/34.jpg)
- Temperatur der Oberflächen (To4 [K])
- Strahlungseigenschaften der Oberflächen:Absorptions - resp. Emissions- und Reflexionsvermögen (α ε ρ )
- gegenseitige Lage der Flächen (Form- oder Winkelfaktor Fjn)
Der Energieaustausch durch Wärmestrahlung zwischen zwei Oberflächen wird primär durch folgende Faktoren bestimmt:
Der Strahlungsanteil α S am Wärmeübergang
![Page 35: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/35.jpg)
Mittlere Wärmeüberganqskoeffizienten α S
α S = 4,6 W (m-2 K-1) Oberflächen gegen annähernd gleich warme
Körper
α S = 2,3 W(m-2 K-1) Raumseite von Außenwandecken, Oberflächen
gegen kalte Körper und Fenster
![Page 36: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/36.jpg)
Rechenwerte für den Wärmeübergangskoeffizienten α
![Page 37: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/37.jpg)
Wärmeübergangskoeffizienten K [W (m-2 K -1)]
![Page 38: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/38.jpg)
Bei inneren Oberfläche:
-Wärmestrom horizontal / vertikal nach oben
-Wärmestrom vertikal nach unten
Bei äußeren Oberflächen:
-direkte Luftberührung (mittlere Windgeschwindigkeit 3 ms-1)
-Hinterlüftung, raumseitig des Luftspaltes
-Bei endberührten Bauteilen gilt 1/ K = 0
6 W (m-2 K-1)
20 W (m-2 K-1)
15 W (m-2 K -1)
8 W (m-2 K -1)
Normalfall folgende Werte für
den Wärmeübergangswert einsetzen
![Page 39: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/39.jpg)
Beim Wärmefluss durch Luftschichten spielt die Wärmestrahlung eine dominierende Rolle. Zusätzlich wird Wärme in dünneren Schichten vorwiegend durch Wärmeleitung transportiert, bei dickeren hingegen macht sich hauptsächlich der Einfluss der Konvektion bemerkbar.
1.5.3 Wärmeübertragung in Luftschichten
![Page 40: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/40.jpg)
Berechnungen mit ebenen Luftschichten (sowohl Wärmeleitung, wie auch Strahlung und Konvektion sind in diesen Werten mitberücksichtigt):
![Page 41: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/41.jpg)
1.6 Wärmedurchgang (Stationärer Fall)
Q/t=
Wärmedurchgangskoeffizient
Q/t=
I = Q/t
![Page 42: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/42.jpg)
Mehrere Wandschichten :Ableitung analog wie oben
.. .Wärmedurchgangskoeffizient
.. .Wärmedurchgangswiderstand
.. .Wärmeübergangswiderstand
...Wärmedurchlässigkeit der Wand.. .Wärmedurchlässigkeitswiderstand der Wand (DÄMMWERT)
... Wärmedurchgangskoeffizient
... Wärmedurchgangswiderstand
... Wärmeübergangswiderstand
... Wärmedurchlässigkeit der Wand
... Wärmedurchlässigkeitswiderstand der Wand (DÄMMWERT)
![Page 43: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/43.jpg)
Wärmeübergangswiderstand außen 1/A
Wärmeübergangswiderstand innen 1/I
WÄRMEDURCHGANGSWIDERSTAND
1/k
![Page 44: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/44.jpg)
Der WÄRMEDURCHGANGSKOEFFIZIENT k gibt den Wärmestrom an, der im stationären Zustand durch 1 m2 eines Bauteiles (Regelquerschnitt!) senkrecht zur Oberfläche fließt, wenn in den beidseitig angrenzenden Räumen ein Temperaturunterschied von 1 K herrscht.
![Page 45: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/45.jpg)
Die (Wärme-) Isolierfähigkeit einer Konstruktion ist umso besser, je kleiner der Wärme- Durchgangskoeffizient k:
schlecht isolierte Wände k > 1.0massig isolierte Wände k = 0.6 - 1.0gut isolierte Wände k = 0.4 - 0.6sehr gut isolierte Wände k < 0.4
![Page 46: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/46.jpg)
Bei bekanntem K-Wert lässt sich nun der Wärmestrom q durch ein Bauelement bei gegebener stationärer Temperaturdifferenz = 1 – 2 berechnen:
Ermittlung des Temperaturverlaufes im Bauelement
In einer Schicht j mit der Dicke dj und der Wärmeleitzahl j tritt ein Temperaturgefälle Tj/xj auf:
)(11
1AI
AI
sq
Q/(tA)=
![Page 47: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/47.jpg)
Wärmewiderstand-Temperatur-Darstellung Natürlicher Maßstab
![Page 48: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/48.jpg)
![Page 49: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/49.jpg)
k-Werte ausgewählter Wand- and Decken-/Dachkonstruktionen
![Page 50: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/50.jpg)
Einschichtige Wand (beidseitig verputzt)
Wand mit Außenisolation Zweischalenmauerwerk
Leichtwand Holz-Blockbau Holz-Ständerbau
![Page 51: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/51.jpg)
Ziegeldach nicht isoliert
Ziegeldach isoliert
![Page 52: Bauphsik](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062723/56813c5a550346895da5d84e/html5/thumbnails/52.jpg)
Kieseldach auf Betondecke Kieseldach auf Holzschalung