Opracowanie nierównowagowego modelu wymiany ciepła, powietrza i wilgoci w materiałach budowlanych z biokomponentami

Kierownik projektu: mgr inż. Michał Wasik

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki, konkurs Preludium 19

Kwota finansowania: 119 400,00 zł

Streszczenie projektu:

Ściany budynków narażone są na zmieniające się warunki atmosferyczne, która mogą powodować skraplanie się wilgoci oraz gromadzenie się jej wewnątrz ścian. Nadmierna obecność wody jest niewskazana ze względu na osłabienie właściwości mechanicznych oraz izolacyjności materiałów, ale przede wszystkim ze względu na ryzyko rozwoju mikroorganizmów szkodliwych dla zdrowia mieszkańców. Przez lata były prowadzone badania w celu lepszego poznania mikrostruktury materiałów jak również mechanizmów transportu wilgoci w ich wnętrzu. W efekcie prowadzonych prac powstały uproszczone modele wymiany ciepła i wilgoci w materiałach porowatych. Modele te posiadają wiele uproszczeń i założeń związanych spowodowanych wysoką komplikacją omawianego problemu, między innymi: różną skalą omawianego problemu (od mikro skali do makro skali), przepływem wielofazowym (powietrze, woda i ciało stałe) oraz wieloma składnikami (powietrze, para wodna, woda, osnowa z ciała stałego). Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie materiał budowlany (cegła), który jest nasycony wodą oraz zaznaczono sposoby wymiany ciepła i masy, które mogą zachodzić w takim materiale.

Rysunek Streszczenie

Current version

1

Name:

Rysunek Streszczenie

Caption:

Image:

Tags:

Related objects

None

Jeśli chcemy rozważać nowe ekologiczne materiały z dodatkiem biokomponentów (włókna roślin, zrębki drewna) to skomplikowanie opisu matematycznego jeszcze bardziej rośnie. Typowe, uproszczone modele tracą na dokładności i nie powinny być w tym wypadku stosowane. Modele spotykane w literaturze bazują na dwóch podstawowych założeniach: równowagi pomiędzy fazami i równowagi mechanicznej. Pierwsze założenie dotyczy wody i pary wodnej. Równowaga pomiędzy fazą ciekłą a gazową (parą wodną) jest równoznaczne z nieskończoną szybkością odparowania bądź skraplania się wody we wnętrzu porów. To założenie pozwoliło na przyśpieszenie procesu implementacji modelu jak również skróciło czas symulacji komputerowych. Co ważniejsze, przy takim podejściu omija się zagadnienie modelowania procesu odparowania lub skraplania. Z najnowszych badań wynika, że w przypadku materiałów z biokomponentami to założenie nie jest spełnione, a wyniki symulacji odbiegają od rzeczywistości. Drugie założenie, czyli równowaga mechaniczna, jest jednoznaczne ze stałym ciśnieniem wilgotnego powietrza w porach. Umożliwia to ominięcie modelowania wymiany powietrza. W projekcie zostanie opracowany model, który będzie brał pod uwagę zarówno skończoną prędkość parowania bądź skraplania wody, ale również transport wilgotnego powietrza wewnątrz materiału. Do innych kluczowych zjawisk, które będą uwzględnione przez model należą: transport kapilarny, dyfuzja i konwekcja pary wodnej, przewodzenie i konwekcja ciepła. W celu sprawdzenia poprawności działania modelu zostanie zbudowane stanowisko eksperymentalne. Pomiary zostaną wykonane zarówno dla tradycyjnych materiałów budowlanych, ale również dla tych z biokomponentami. Ostatnim elementem projektu będzie przeprowadzenie analizy dynamiki zmiany fazy (parowanie lub skraplanie) dla nowych materiałów zawierających biokomponenty. Analiza będzie obejmować symulacje komputerowe, pomiary na stanowisku eksperymentalnym jak również badania właściwości materiałowych na poziomie mikrostruktury. Badania będą mogły pomóc architektom w lepszym projektowaniu domu z punktu widzenia wilgoci jak i również pozwolą na projektowanie nowych materiałów budowlanych z dodatkami biokomponentów.

Przykładowe wyniki projektu:

Artykuły:

•  Prototype of an experimental stand for investigating heat and moisture transfer phenomena in building materials, Wasik Michał, Dereszewski Adam, Łapka Piotr, Journal of Physics - Conference Series, 2023, vol. 2423, nr 1, s.1-7, Numer artykułu:012010. DOI:10.1088/1742-6596/2423/1/012010
•  Preliminary mathematical and numerical non-equilibrium transient air and moisture transfer model in hemp concretes, Wasik Michał, Łapka Piotr, W: Postępy w badaniach wymiany ciepła i masy. Monografia konferencyjna XVI Sympozjum Wymiany Ciepła i Masy / Butrymowicz Daruisz, Śmierciew Kamil, Jakończuk Paweł (red.), 2022, Białystok, Politechnika Białostocka, s.404-413, ISBN 978-83-67185-30-1