Analiza przepływu ciepła przez warstwy wypełnione materiałem granularnym

Ograniczenie negatywnego wpływu człowieka na klimat jest jednym z wyzwań dla państw członkowskich Unii Europejskiej, co znajduje odzwierciedlenie zarówno w ich prawodawstwie, jak i w strategicznych priorytetach przyjętych w kolejnych perspektywach finansowych. Obecnie działania UE mają na celu m.in. redukcję emisji gazów cieplarnianych o 80% do 2050 roku w stosunku do poziomu z 1990 roku z etapami przejściowymi do 2030 roku (40% redukcji) i do 2040 roku (40% redukcji). Niewątpliwie realizacja takich założeń wymaga aktywnego udziału wszystkich państw członkowskich. Dlatego w ostatnich latach w Polsce dokonał się ogromny postęp w zakresie efektywności energetycznej. W ustawodawstwie krajowym dotyczącym energetyki, ochrony środowiska i prawa budowlanego wprowadzono istotne zmiany wspierające efektywność energetyczną. Z pewnością czołową rolę w gospodarce niskoemisyjnej odegra zrównoważone budownictwo. Ze względu na niski standard dużej części polskich budynków zużycie energii jest nieefektywne. W wielu przypadkach zużyta energia jest marnowana, ponieważ ciepło „ucieka” przez źle wykonane i izolowane ściany i dachy. Najważniejszym wyzwaniem dla osiągnięcia takich wyników w 2050 roku będzie termomodernizacja istniejących budynków. Należy podkreślić, że obecnie aż 70 procent mieszkań i domów w Polsce nie jest ocieplonych, a ich termomodernizacja pozwoliłaby niewielkim kosztem ograniczyć straty ciepła, co mogłoby spowodować znaczny spadek zapotrzebowania na energię. Jednym z działań podejmowanych w celu poprawy parametrów energetycznych w istniejących budynkach jest docieplenie ścian zewnętrznych, gdzie straty ciepła mieszczą się w przedziale 24% - 35%. Najczęściej stosowana jest izolacja w postaci dodania dodatkowego materiału izolacyjnego do istniejącej ściany od zewnątrz. Przegrody (ściany) stosowane w budownictwie składają się z wielu warstw różnych materiałów mocno przylegających do siebie. Najpopularniejsze są warstwy styropianu lub wełny mineralnej, natomiast różnego rodzaju wypełnienia m.in. w postaci sztywnej pianki lub stosowane są również różne mieszanki. Znajomość procesów fizycznych i zjawisk chemicznych zachodzących w materiałach budowlanych ułatwia ich właściwy dobór i pozwala projektować budynki pod kątem oszczędności energii . Przenikanie ciepła zachodzące we wnętrzu materiałów stałych polega na przenoszeniu energii pomiędzy sąsiadującymi cząstkami. Intensywność tego procesu zależy od struktury i właściwości materiału. Dlatego należy szukać rozwiązań, które pozwalają na prawidłowe określenie rozkładu temperatury we wnętrzu przegród. Dokładniejsze zrozumienie wymiany ciepła zjawisko zachodzące pomiędzy poszczególnymi warstwami (ścianami izolacyjnymi) pozwoli na lepszą kontrolę zmian temperatury. Dużym problemem w szczegółowym opisie procesu przepływu ciepła jest duża ilość zależności oraz parametrów potrzebnych do opisania struktury ścian izolacyjnych. Definicja ogólnej zależności pozwalającej na określenie przewodności cieplnej jest skomplikowana ze względu na właściwości termiczne poszczególnych elementów. Z literatury można stwierdzić, że w ujęciu klasycznym przepływ ciepła opisuje równanie Kirchhoffa. Podstawową wadą tego modelu jest konieczność znajomości wszystkich parametrów materiałowych warstwy izolacyjne i liczne korelacje empiryczne potrzebne do opisu ich właściwości termicznych.