ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ & ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΑΖΑ

Στο κλίμα της Ελλάδας τα κτήρια πρέπει να διαθέτουν εξίσου δύο στοιχεία: αναγκαία και επαρκή θερμομόνωση και αναγκαία και επαρκή μάζα.

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Το κέλυφος (περίβλημα) του κτηρίου προστατεύει τους εσωτερικούς χώρους από τις καιρικές συνθήκες και πρέπει να εξασφαλίζει θερμική άνεση για τους ενοίκους. Δηλαδή, θερμούς χώρους το χειμώνα και δροσερούς το καλοκαίρι.

Ανάμεσα στο κτήριο και το εξωτερικό περιβάλλον υπάρχει, τόσο το χειμώνα όσο και το καλοκαίρι, σημαντική διαφορά θερμοκρασίας και άρα διαρκής ανταλλαγή θερμότητας. Η μετάδοση θερμότητας γίνεται με τέσσερις τρόπους: με αγωγή,  συναγωγή, ακτινοβολία και μεταφορά αέρα. Γίνεται πάντα προς μια κατεύθυνση: από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα. Το χειμώνα, το θερμότερο κτήριο μεταδίδει θερμότητα προς το ψυχρότερο περιβάλλον. Το καλοκαίρι, το θερμότερο περιβάλλον μεταδίδει θερμότητα προς το δροσερότερο κτήριο.

Το κέλυφος εξασφαλίζει θερμική άνεση για τους ενοίκους όταν συνδυάζει δύο εξίσου σημαντικά χαρακτηριστικά:

• Καλή εξωτερική θερμομόνωση που εμποδίζει τη μετάδοση θερμότητας από μέσα προς τα έξω και αντίστροφα.
• Επαρκή μάζα εσωτερικά, που συγκρατεί τη ζέστη το χειμώνα και διατηρεί τη δροσιά το καλοκαίρι.

Ρόλος της θερμομόνωσης και της θερμικής μάζας στην εσωτερική θερμική άνεση

Ρόλος της θερμομόνωσης και της θερμικής μάζας στην εσωτερική θερμική άνεση και διακύμανση θερμοκρασίας

ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ

Η θερμομόνωση αναστέλλει τη μετάδοση θερμότητας από τον εσωτερικό χώρο των κτηρίων προς τον εξωτερικό χώρο το χειμώνα και αντίστροφα το καλοκαίρι. Επιτυγχάνεται με τη μεσολάβηση ακίνητου, ξηρού αέρα. Ο αέρας έχει αραιή μοριακή δομή, τα μόριά του δεν εφάπτονται και γιαυτό καθυστερεί τη μετάδοση θερμότητας.

Θέση της θερμομόνωσης

Η θερμομόνωση πρέπει να τοποθετείται εξωτερικά. Μόνο έτσι μπορεί να αποτελεί ένα πλήρες και αποτελεσματικό φράγμα που εμποδίζει τη μετάδοση θερμότητας μεταξύ κτηρίου και περιβάλλοντος.

Οι περιοχές του κελύφους που πρέπει να προστατευθούν είναι: τα εξωτερικά δομικά στοιχεία, τα ανοίγματα και οι αρμοί.

• Εξωτερικά δομικά στοιχεία

Εξωτερικά δομικά στοιχεία του κελύφους είναι τα εξωτερικά στοιχεία του φέροντος οργανισμού, οι εξωτερικές τοιχοποιίες πλήρωσης και η στέγη. Η θερμομόνωσή τους πρέπει να είναι συνεχής χωρίς θερμογέφυρες.

Θερμογέφυρες είναι όλα τα τμήματα του εξωτερικού κτηριακού κελύφους που έχουν μειωμένη θερμομόνωση σε σχέση με το υπόλοιπο κέλυφος. Είναι όλα τα εκτεθειμένα δομικά στοιχεία, οι αρμοί συναρμογής υλικών και δομικών στοιχείων, τα κενά και οι κακοτεχνίες της κατασκευής.

Οι σημαντικότερες συνήθεις θερμογέφυρες

Η στέγη και το δώμα των κτηρίων έχουν αυξημένη ανάγκη θερμομόνωσης.

Το χειμώνα, ο θερμότερος αέρας των εσωτερικών χώρων, ως ελαφρύτερος, συγκεντρώνεται στην υψηλότερη ζώνη τους, δηλαδή κάτω από τη στέγη και το δώμα.

Το καλοκαίρι, η στέγη και το δώμα δέχονται σχεδόν κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία και η εξωτερική τους επιφάνεια θερμαίνεται υπερβολικά.

Σε αυτή τη ζώνη εμφανίζονται οι μεγαλύτερες διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού χώρου το χειμώνα, αλλά και το καλοκαίρι. Όταν αυξάνεται η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικής και εξωτερικής επιφάνειας ενός δομικού στοιχείου, αυξάνεται και η μετάδοση θερμότητας.

Διαφορά εσωτερικής και εξωτερικής θερμοκρασίας στην ανώτερη ζώνη των κτηρίων

• Ανοίγματα

Τα κουφώματα των εξωτερικών ανοιγμάτων των κτηρίων συντίθενται από δύο στοιχεία: τα πλαίσια και τους υαλοπίνακες.

Υαλοπίνακες Κατά τη διάρκεια μιας χειμερινής ημέρας, οι υαλοπίνακες της νότιας πλευράς του κτηρίου, αποτελούν παγίδα θερμότητας, συμβάλλοντας στη θέρμανση των χώρων από τον ήλιο.

Διπλός υαλοπίνακας – παγίδα θερμότητας

Κατά τις νεφοσκεπείς μέρες, καθώς και κατά τη διάρκεια της νύχτας, όλοι οι υαλοπίνακες, ανεξαρτήτως προσανατολισμού, αποτελούν επιφάνειες σημαντικών απωλειών. Αυτό συμβαίνει γιατί το σώμα του γυαλιού θερμαίνεται εξαιτίας της επαφής του με το θερμό εσωτερικό αέρα και εκπέμπει θερμότητα προς τα έξω. Οι θερμικές απώλειες των υαλοπινάκων περιορίζονται σημαντικά με την τοποθέτηση διπλών τζαμιών.

Το διπλό τζάμι εξασφαλίζει ένα μονωτικό διάκενο ακίνητου αέρα μεταξύ των δυο γυάλινων επιφανειών του που περιορίζει σημαντικά τις απώλειες θερμότητας. Η θερμομονωτική του ικανότητα εξαρτάται από το πάχος του διάκενου και από το πάχος των τζαμιών.

Η τεχνολογία των υαλοπινάκων αναπτύσσεται διαρκώς.

Για την Ελλάδα, το γνωστό διπλό τζάμι (5 mm τζάμι, 17 mm διάκενο αέρα, 4 mm τζάμι) είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, η επαρκής και οικονομικότερη επιλογή.

Πλαίσια Τα πλαίσια πρέπει να κατασκευάζονται από θερμομονωτικά υλικά και οι διατομές τους πρέπει να έχουν θερμομονωτική ικανότητα. Υπάρχουν τρία βασικά υλικά στην κατασκευή των πλαισίων: το πλαστικό, το αλουμίνιο και το ξύλο.

Τα πλαστικά πλαίσια κατασκευάζονται από PVC και περιέχουν ως σταθεροποιητή το κάδμιο, απαραίτητο συστατικό για την αντοχή τους στην ηλιακή ακτινοβολία και τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις. Δεν είναι κατάλληλη επιλογή εξαιτίας ενδεχόμενων τοξικών εκπομπών και μειωμένης ανθεκτικότητας στο ελληνικό κλίμα.

Τα απλά πλαίσια αλουμινίου δεν είναι θερμομονωτικά γιατί το αλουμίνιο είναι καλός αγωγός θερμότητας, δηλαδή δημιουργεί θερμογέφυρα. Η θερμοδιακοπή στις διατομές των πλαισίων αλουμινίου εμποδίζει τη μετάδοση θερμότητας, αποτελείται όμως από πολυαμιδικά ή πολυκαρβονικά υλικά.

Τα ξύλινα πλαίσια είναι θερμομονωτικά γιατί το ξύλο είναι θερμομονωτικό υλικό, καθώς και μη τοξικό.

Σημαντικό ρόλο στη θερμομονωτική ικανότητα των πλαισίων παίζει η συναρμογή μεταξύ φύλλων και κάσας. Πρέπει να είναι επιμελημένη, με διπλές πατούρες για την ελαχιστοποίηση της διαφυγής αέρα, χωρίς όμως λάστιχα ώστε να επιτρέπεται ο ήπιος, ελεγχόμενος, άδηλος αερισμός που υποστηρίζει την καλή ποιότητα του εσωτερικού αέρα των χώρων.

• Αρμοί

Οι αρμοί του κτηρίου είναι σημαντική περιοχή μετάδοσης θερμότητας. Βρίσκονται συνήθως στη συναρμογή των κουφωμάτων με τις τοιχοποιίες, των στεγών με τις τοιχοποιίες και των τοιχοποιιών με τον φέροντα οργανισμό. Από τις περιοχές των αρμών διαφεύγει ή διεισδύει ψυχρός ή θερμός αέρας. Έχει ιδιαίτερη σημασία η σχολαστική σφράγισή τους, με υλικά όμως μη τοξικά, που αναπνέουν.

Θερμομονωτική ικανότητα υλικών

Κάθε υλικό έχει διαφορετική θερμομονωτική ικανότητα. Όσα περισσότερα στρώματα (διάκενα) ακίνητου αέρα περιέχει το υλικό στο πάχος του, τόσο πιο μονωτικό είναι. Το πάχος της απαιτούμενης θερμομόνωσης είναι διαφορετικό για κάθε υλικό και αντιστρόφως ανάλογο της θερμομονωτικής του ικανότητας.

Κλίμα και θερμομόνωση

Η θερμομόνωση που απαιτείται για το κτήριο είναι πάντα αντίστοιχη με το κλίμα στο οποίο βρίσκεται. Στα ψυχρότερα κλίματα οι ανάγκες θερμομόνωσης είναι αυξημένες σε σχέση με τα θερμότερα. Η αναντίστοιχη προς το ελληνικό κλίμα αύξηση των συντελεστών θερμομόνωσης στους ισχύοντες κανονισμούς προκαλεί επιβάρυνση του κόστους κατασκευής, χωρίς την ανάλογη πάντα απόδοση.

Υγιεινή

Η εξασφάλιση της υγιεινής των κτηρίων και η διατήρηση υψηλής ποιότητας εσωτερικού αέρα βασίζεται σε δύο σοβαρές προϋποθέσεις όπως:

• Χρήση καθαρών και αποκλεισμός τοξικών μονωτικών υλικών και προϊόντων.
• Εξασφάλιση της άδηλης αναπνοής του κτηριακού κελύφους και διαρκούς και άδηλου αερισμού των αρμών των κουφωμάτων, ώστε οι τοξικές εκπομπές ακατάλληλων υλικών εξοπλισμού και η υγρασία του εσωτερικού αέρα να εκτονώνονται προς τα έξω.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΑΖΑ

Θερμοχωρητικότητα κτηρίου είναι η ικανότητά του να αποθηκεύει θερμότητα στο εσωτερικό του, δηλαδή στη  θερμική του μάζα.

Η θερμική μάζα αποτελείται από το σύνολο των θερμοσυσσωρευτικών υλικών των εσωτερικών δομικών στοιχείων. Θερμοχωρητικά είναι όλα τα οικοδομικά υλικά με πυκνή μοριακή δομή, δηλαδή τα βαριά υλικά όπως πέτρα, μάρμαρο, σκυρόδεμα, τούβλο (ψημένο ή ωμό), πηλός, κεραμικά υλικά.

Η θερμική μάζα απορροφά θερμότητα είτε από την ηλιακή ακτινοβολία είτε από το θερμό αέρα στο εσωτερικό των κτηρίων, την οποία  συσσωρεύει και αποθηκεύει. Για το λόγο αυτό ονομάζεται και αποθήκη θερμότητας του κτηρίου.

Τα δομικά στοιχεία αποθηκεύουν θερμότητα όταν ο εσωτερικός αέρας είναι θερμότερος από αυτά, ενώ, όταν ο αέρας είναι ψυχρότερος, τα δομικά στοιχεία αποδίδουν θερμότητα.

Χειμώνας

Το χειμώνα, κατά τη διάρκεια των ημερών ηλιοφάνειας, η ηλιακή ακτινοβολία διεισδύει από τα νότια ανοίγματα βαθιά στο εσωτερικό των κτηρίων και θερμαίνει τον αέρα των χώρων και τη θερμική τους μάζα, δηλαδή τα θερμοχωρητικά τους δομικά στοιχεία.

Ο αέρας δεν αποθηκεύει θερμότητα. Τη χάνει κάθε φορά που ανανεώνεται για λόγους αερισμού ή λειτουργικών αναγκών. Όμως τα δομικά στοιχεία αποθηκεύουν θερμότητα και τη συγκρατούν.

Το βράδυ, μετά τη Δύση του ήλιου, όταν η θερμοκρασία του εσωτερικού αέρα πέφτει, τα θερμά δομικά στοιχεία αποδίδουν θερμότητα (με ακτινοβολία και συναγωγή) προς τους χώρους. Η θερμική μάζα του κτηρίου πρέπει να είναι τόση, ώστε:

• Να προλαβαίνει να θερμανθεί ικανοποιητικά κατά τη διάρκεια της μέρας.
• Να αποδίδει θερμότητα και να διατηρεί συνθήκες θερμικής άνεσης όλη τη νύχτα, μέχρι το επόμενο πρωί.

Καλοκαίρι

Το καλοκαίρι, κατά τις θερμές μέρες, η εσωτερική θερμοκρασία των κτηρίων αυξάνεται. Κατά κανόνα υπερβαίνει σημαντικά τα ανεκτά επίπεδα θερμικής άνεσης, προκαλώντας δυσφορία. Όταν τα δομικά στοιχεία των χώρων είναι ψυχρά, απορροφούν θερμότητα από τον εσωτερικό αέρα και τον ψύχουν, ενώ ταυτόχρονα τα ίδια θερμαίνονται.

Τα δομικά στοιχεία ψύχονται τη νύχτα. Αποβάλλουν τη θερμότητα τους προς το δροσερό νυχτερινό αέρα, με την προϋπόθεση να γίνεται πλήρης και διαρκής νυχτερινός αερισμός. Η θερμική μάζα του κτηρίου πρέπει να είναι τόση, ώστε τα δομικά στοιχεία:

• Να προλαβαίνουν να ψυχθούν κατά τη διάρκεια  της νύχτας.
• Να εξακολουθούν, έστω και οριακά, να ψύχουν τον εσωτερικό αέρα, έως τη δύση του ήλιου ή την ώρα κατά την οποία η εξωτερική θερμοκρασία αρχίζει να πέφτει σε επίπεδα χαμηλότερα από την εσωτερική.

Η θερμική μάζα είναι ο ρυθμιστής της εσωτερικής θερμοκρασίας.

• Καθυστερεί την ψύξη των χώρων κατά τις χειμερινές νύχτες, διατηρώντας τους θερμούς ως το πρωί.
• Καθυστερεί τη θέρμανση των χώρων κατά τις θερινές μέρες, διατηρώντας τους δροσερούς ως το βράδυ.
• Συμβάλει στη μείωση των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων στο εσωτερικό των κτηρίων, μεταξύ μέρας και νύχτας, αλλά και μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού.

Θέση θερμικής μάζας

Η θερμική μάζα τοποθετείται στο εσωτερικό του κτηρίου. Προϋπόθεση για την αποδοτική λειτουργία της είναι η πλήρης εξωτερική της κάλυψη με θερμομόνωση. Έτσι, απορροφά και αποδίδει θερμότητα μόνο από και προς τον εσωτερικό χώρο και όχι από και προς το περιβάλλον.

Η σωστή θερμική λειτουργία του κτηρίου και η διατήρηση της θερμικής ισορροπίας μεταξύ των χώρων του (μείωση θερμοκρασιακών διακυμάνσεων), δεν εξαρτάται μόνο από τη συνολική ποσότητα της θερμικής μάζας αλλά και από την ισορροπημένη κατανομή της.

Κατανομή θερμικής μάζας

Όσο αυξάνεται η επιφάνεια της θερμικής μάζας, τόσο μειώνεται το πάχος της και βελτιώνεται η απόδοσή της. Το πάχος της στο ελληνικό κλίμα είναι καλό να κυμαίνεται μεταξύ 10-20 cm.

Θερμοχωρητικότητα δομικών υλικών

Η θερμοχωρητικότητα των δομικών υλικών διαφέρει από υλικό σε υλικό. Τα πυκνότερα υλικά έχουν μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα. Έτσι π.χ. η πέτρα έχει μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από τον οπτόπλινθο.

Για κάθε υλικό, ο χρόνος που απαιτείται για την απορρόφηση θερμότητας είναι ίσος με το χρόνο που απαιτείται για την απόδοση θερμότητας. Ο χρόνος αυτός διαφέρει όμως από υλικό σε υλικό, γιατί εξαρτάται, από τη θερμοχωρητικότητα και από τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού. Έτσι π.χ. το σκυρόδεμα απορροφά και αποδίδει θερμότητα γρηγορότερα από τον πηλό.

Τα ειδικά θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών επηρεάζουν τόσο τα επίπεδα θερμικής άνεσης, όσο και τη διακύμανση των εσωτερικών θερμοκρασιών στα κτήρια.

Διακύμανση εσωτερικής θερμοκρασίας για διάφορα πάχη τοίχων διαφόρων υλικών (αναπροσαρμογή από Mazria E., 1979)

   

   

Στην Ελλάδα, τα κτήρια που κατασκευάζονται από μη θερμοχωρητικά υλικά, π.χ. από ξύλο ή γυψοσανίδα δε μπορούν να αποθηκεύσουν θερμότητα, δηλαδή να αξιοποιήσουν τον ήλιο για τη θέρμανσή τους, ούτε μπορούν να έχουν το καλοκαίρι φυσικό δροσισμό.

Η αναγκαία ποσότητα της θερμικής μάζας υπολογίζεται με βάση την αναγκαία θερμοχωρητικότητα του κτηρίου και τα θερμικά χαρακτηριστικά των υλικών που την αποτελούν.

Κλίμα και θερμική μάζα

Η ικανή και αναγκαία θερμοχωρητικότητα των κτηρίων είναι διαφορετική για κάθε κλίμα, ανάλογη της διαφοράς μεταξύ χειμερινών και θερινών θερμοκρασιών και ανάλογη των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων μεταξύ μέρας και νύχτας κάθε τόπου. Όσο μεγαλύτερες είναι αυτές οι διαφορές, τόσο ο ρόλος της θερμικής μάζας γίνεται σημαντικότερο{“type”:”block”,”srcIndex”:1,”srcClientId”:”16faaa6e-a3a0-4081-bc1a-a2be065cc0b6″,”srcRootClientId”:””}ς για την εξασφάλιση της θερμικής άνεσης στα κτήρια.

Στο ελληνικό κλίμα η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού κυμαίνεται στους 30 – 35 ⁰C και φτάνει συχνά τους 40 ⁰C. Το χειμώνα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ ημέρας και νύχτας είναι της τάξης των 8 – 10 ^οC, ενώ το καλοκαίρι είναι 10 – 15 ^οC και μπορεί, ανάλογα με τον τόπο και το φυσικό περιβάλλον, να φτάσουν μέχρι τους 20 ^οC.

Στο κλίμα της Ελλάδας η ύπαρξη θερμικής μάζας είναι μία από τις βασικότερες προϋποθέσεις που δίνουν τη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας έως και 70% το χειμώνα και έως και 100% το καλοκαίρι.

Ο υπολογισμός της αναγκαίας θερμοχωρητικότητας και της ποσότητας θερμικής μάζας, είναι απαραίτητος, ώστε να εξασφαλιστεί το βέλτιστο επίπεδο θερμικής άνεσης στο εσωτερικό των κτηρίων για όλες τις εποχές.