Pojemność cieplną ściany glinianej oblicza się ze wzoru C = V × ρ × c. Trzeba znać objętość przegrody, jej gęstość objętościową oraz ciepło właściwe materiału. Wynik otrzymuje się w J/K, a pojemność cieplną objętościową materiału w J/(m³·K).
Dlaczego pojemność cieplna gliny ma znaczenie?
Pojemność cieplna określa ilość energii potrzebnej do podniesienia temperatury danego materiału o 1 K. Masywna ściana gliniana może więc magazynować ciepło dostarczone przez ogrzewanie, promieniowanie słoneczne lub użytkowników, a następnie oddawać je wolniej, gdy temperatura w pomieszczeniu spada. Tę zdolność często opisuje się także jako bezwładność cieplną.
W praktyce ściana o dużej masie cieplnej wolniej się nagrzewa i wolniej stygnie. Pomaga to ograniczać dobowe wahania temperatury, ale nie zastępuje izolacji. Izolacyjność cieplną opisuje głównie współczynnik przewodzenia ciepła λ, natomiast akumulacyjność zależy przede wszystkim od masy, gęstości i ciepła właściwego. Materiał może zatem dobrze magazynować energię, a jednocześnie wymagać dodatkowej warstwy termoizolacyjnej.
Podstawowe wzory i jednostki
Najpierw można obliczyć pojemność cieplną właściwą objętościową materiału:
Cv = ρ × c
gdzie:
- Cv oznacza pojemność cieplną objętościową w J/(m³·K),
- ρ oznacza gęstość objętościową w kg/m³,
- c oznacza ciepło właściwe w J/(kg·K).
Pojemność cieplną całej ściany oblicza się następnie według wzoru:
C = V × ρ × c
W tym równaniu C jest pojemnością cieplną ściany w J/K, a V oznacza jej objętość w m³. Dla prostokątnej przegrody objętość wynosi:
V = S × d
gdzie S to powierzchnia ściany w m², a d to jej grubość w metrach. Połączenie obu wzorów daje również prostą zależność dla 1 m² ściany:
C1 m² = d × ρ × c
Nie należy mylić ciepła właściwego z pojemnością cieplną objętościową. Ciepło właściwe dotyczy 1 kg materiału i ma jednostkę J/(kg·K). Pojemność objętościowa dotyczy 1 m³ i uwzględnia także gęstość, dlatego podaje się ją w J/(m³·K).
Jakie wartości przyjąć do obliczeń?
Glina nie jest jednym, jednorodnym wyrobem. Wynik zależy między innymi od uziarnienia, stopnia zagęszczenia, porowatości i wilgotności. Poniższe wartości mają charakter orientacyjny i służą do wstępnych obliczeń. Przy projekcie konkretnej przegrody lepiej wykorzystać kartę techniczną materiału albo wyniki badań dla zastosowanej mieszanki.
| Materiał | Gęstość [kg/m³] | Ciepło właściwe [J/(kg·K)] | Pojemność objętościowa [J/(m³·K)] |
|---|---|---|---|
| Glina ubijana | 1800–2200 | około 900 | 1 620 000–1 980 000 |
| Tynk gliniany | 1400–1800 | około 1000 | 1 400 000–1 800 000 |
| Cegła mułowa | 1400–1900 | około 800–1000 | 1 120 000–1 900 000 |
| Beton zwykły | 2200–2400 | około 880 | 1 936 000–2 112 000 |
| Drewno | 450–600 | około 1600 | 720 000–960 000 |
Podane zakresy nie są uniwersalnymi wartościami projektowymi. Szczególnie w przypadku gliny wilgotność może podnieść jej masę oraz zmienić ciepło właściwe, ponieważ woda także magazynuje energię. Do dokładniejszej analizy należy stosować parametry przypisane do określonego stanu wilgotności i temperatury.
Jak obliczyć pojemność cieplną ściany?
Przykład dotyczy ściany glinianej o powierzchni 20 m² i grubości 30 cm. Przyjmijmy orientacyjnie gęstość gliny ubijanej równą 2000 kg/m³ oraz ciepło właściwe 900 J/(kg·K).
Obliczenie można przeprowadzić w następującej kolejności:
- Oblicz objętość ściany. Dla grubości 30 cm, czyli 0,30 m, otrzymasz V = 20 m² × 0,30 m = 6 m³.
- Przyjmij gęstość objętościową materiału. W przykładzie ρ = 2000 kg/m³.
- Przyjmij ciepło właściwe gliny. W przykładzie c = 900 J/(kg·K).
- Podstaw dane do wzoru. C = 6 m³ × 2000 kg/m³ × 900 J/(kg·K) = 10 800 000 J/K.
Oznacza to, że podgrzanie całej ściany o 1 K wymaga dostarczenia około 10,8 MJ energii, przy założeniu stałych parametrów materiału. Dla jednego metra kwadratowego tej przegrody wynik wynosi 540 000 J/K, ponieważ 10 800 000 J/K dzieli się przez 20 m².
W rzeczywistym budynku nie cała masa ściany uczestniczy w krótkookresowej wymianie ciepła z pomieszczeniem. Głębokość, na jaką w ciągu doby wnika zmiana temperatury, zależy między innymi od przewodności cieplnej, wilgotności, układu warstw i czasu trwania obciążenia. Dlatego powyższy wynik opisuje pojemność całej ściany jako bryły, a nie dokładną ilość energii dostępną w każdym cyklu ogrzewania.
Co zmienia wynik obliczeń?
Największy wpływ mają parametry rzeczywistej mieszanki, a nie sama nazwa materiału. W obliczeniach trzeba zwrócić uwagę na następujące czynniki:
- Wilgotność zwiększa masę materiału i może zmieniać jego ciepło właściwe. Parametr przyjęty dla suchej próbki nie musi opisywać ściany pracującej w warunkach użytkowych.
- Dodatek słomy zmniejsza gęstość objętościową mieszanki. Glina lekka z dużą ilością włókien ma więc zwykle niższą pojemność cieplną, ale lepszą izolacyjność niż glina ubijana bez lekkich dodatków.
- Porowatość i stopień zagęszczenia wpływają na ilość masy przypadającą na 1 m³. Dwie ściany o tej samej grubości mogą mieć różną pojemność.
- Warstwy wykończeniowe także mają własną pojemność cieplną. Tynk gliniany o grubości 1 cm i masie około 15–18 kg/m² zwiększa całkowitą masę powierzchniową przegrody.
- Układ warstw decyduje o tym, jaka część masy jest dostępna dla wnętrza. Izolacja umieszczona od zewnętrznej strony pomaga zachować akumulowane ciepło po stronie pomieszczenia.
Warto też pamiętać, że wysoka pojemność cieplna i niska przewodność cieplna opisują różne cechy. Ziemia ubijana może zgromadzić dużo energii dzięki dużej gęstości, ale sama nie zapewni parametrów izolacyjnych wymaganych dla każdej ściany zewnętrznej. W takim układzie funkcję akumulacyjną pełni masywna glina, a za ograniczenie strat odpowiada osobno dobrana izolacja.
Do wstępnego oszacowania wystarczy pomnożyć objętość ściany przez gęstość i ciepło właściwe. Wiarygodność wyniku rośnie wtedy, gdy oba parametry pochodzą z danych dla konkretnej mieszanki i jej wilgotności użytkowej.
