Ε.Μ.Π. ΣΧΟΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΟΙΚΟ ΟΜΙΚΗ 3 Κύρια σηµεία διάλεξης για τη Θερµοµόνωση Κτιρίων από Η. Ζαχαρόπουλο, Καθηγητή Ε.Μ.Π. Θερµότητα µεταδίδεται, σύµφωνα µε τη θεωρία της Φυσικής, µε: - αγωγή, σε στερεά σώµατα, - µεταφορά, σε ρευστά, δηλαδή αέρια ή υγρά, - ακτινοβολία, στο κενό ή χώρο µε αέριο/α Το φαινόµενο της εξάτµισης συµβάλλει στη απαγωγή θερµότητας, όπως π.χ. στην περίπτωση που ιδρώνει το ανθρώπινο σώµα ή καταβρέχεται µια θερµή επιφάνεια. Το φαινόµενο του θερµοκηπίου δηµιουργείται επειδή οι υαλοπίνακες έχουν την ιδιότητα να µην είναι διαπερατοί από τη µακροκύµατη υπέρυθρη ακτινοβολία. Ειδικότερα, ο κοινός υαλοπίνακας είναι διαπερατός από το ορατό φάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας και τη µικροκύµατη υπέρυθρη ακτινοβολία. Το τµήµα της ακτινοβολίας που θα εισχωρήσει στο θερµοκήπιο και δεν θα ανακλαστεί κατόπιν προς τα έξω απορροφάται από τα υλικά µέσα στο θερµοκήπιο, τα οποία θερµαινόµενα εκπέµπουν ενέργεια σε µορφή µακροκύµατης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η θερµική ακτινοβολία αυτή, επειδή δεν µπορεί να διαπεράσει τις γυάλινες επιφάνειες παγιδεύεται εσωτερικά, µε αποτέλεσµα την ανύψωση της θερµοκρασίας του χώρου. Πρακτική εφαρµογή της γνώσης της λειτουργίας του φαινοµένου του θερµοκηπίου γίνεται µε την τοποθέτηση των στοιχείων σκιασµού (π.χ. σκούρα ή παντζούρια) έξω από τα υαλοστάσια των ανοιγµάτων. Εάν τα στοιχεία σκιασµού τοποθετηθούν εσωτερικά των υαλοστασίων µειώνεται η απόδοσή τους, µια και δεν περιορίζεται η (ανεπιθύµητη) λειτουργία του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Θερµοκήπια προσαρτηµένα σε κτίρια χρησιµοποιούνται στα παθητικά ηλιακά συστήµατα για τη θέρµανση κτιρίων. Πρέπει όµως να λαµβάνονται υπόψη και τα αρνητικά στοιχεία της εφαρµογής, δηλαδή ότι κατά τη διάρκεια της νύχτας τον χειµώνα παρατηρείται σηµαντική απώλεια θερµότητας από τους υαλοπίνακες, όπως και ότι τους καλοκαιρινούς µήνες, ιδίως στην Ελλάδα, διαπιστώνεται υπερθέρµανση των θερµοκηπίων. Για να αντιµετωπισθεί το πρόβληµα πρέπει είτε να σκιάζονται πολύ αποτελεσµατικά τα υαλοστάσια το καλοκαίρι, είτε ο χώρος του θερµοκηπίου να ανοίγει διάπλατα προς το περιβάλλον. Στα γεωργικά θερµοκήπια που καλύπτονται µε πλαστική µεµβράνη είναι πολύ εύκολη η αφαίρεση της κάλυψης το καλοκαίρι για την αποφυγή της υπερθέρµανσης. Σε ένα κτίριο παρατηρείται διαρκής ροή θερµικής ενέργειας διαµέσου του κελύφους του η οποία δηµιουργείται από προσόδους και από. Ως νοούνται αφ ενός µεν οι εξωτερικές, που οφείλονται στην ηλιακή δράση -αλλιώς -, και οι, που οφείλονται στη θερµότητα που εκλύουν οι ένοικοι, τη θερµότητα που παράγουν τα φωτιστικά σώµατα, τη θερµότητα που παράγουν οι συσκευές και τη θερµότητα που εκλύεται από την παραγωγή και κατανάλωση ζεστού νερού. Όταν οι συνθήκες το επιβάλλουν, π.χ. τον χειµώνα, οι του κτιρίου ενισχύονται µε τη συµβατική θέρµανση (σόµπες, καλοριφέρ κ.ά. θερµαντικά σώµατα).
Οι οφείλονται στη διαφυγή θερµότητας διαµέσου του κελύφους και των ανοιγµάτων του προς το περιβάλλον, όταν η εξωτερική θερµοκρασία είναι χαµηλότερη της εσωτερικής. Στόχος κάθε κτιρίου που κατοικείται είναι να παρέχει συνθήκες θερµικής άνεσης, δηλαδή συνθήκες θερµοκρασίες και υγρασίας που να προσφέρουν σωµατική και ψυχική ευεξία στους χρήστες του κτιρίου. Εάν για µια µακρά χρονική περίοδο µελετηθεί η σχέση θερµικών προσόδων προς σε ένα κτίριο που προσφέρει συνθήκες θερµικής άνεσης, θα διαπιστωθεί ότι οι είναι ίσες µε τις. Η διαπίστωση είναι λογική, επειδή διαφορετικά το κτίριο είτε θα θερµαινόταν ή θα ψυχόταν συνεχώς. Η επιµέρους κατανοµή και η σχέση των θερµικών προσόδων προς τις ενός κτιρίου παρουσιάζεται στο θερµικό του ισοζύγιο. Το θερµικό ισοζύγιο κάθε κτιρίου προσφέρει τα στοιχεία για την ανάλυση της θερµικής του συµπεριφοράς και την επιλογή µέτρων για τη βελτίωσή της. συµβατική θέρµανση διάγραµµα τυπικού θερµικού ισοζυγίου για τον χειµώνα διάγραµµα τυπικού θερµικού ισοζυγίου για την άνοιξη και το φθινόπωρο απόρριψη θερµότητας διάγραµµα τυπικού θερµικού ισοζυγίου για το καλοκαίρι Από τη µελέτη του τυπικού θερµικού ισοζυγίου που αφορά τον χειµώνα προκύπτει ότι η µείωση των θερµικών απωλειών έχει ως συνέπεια τον ίσο περιορισµό της ανάγκης θερµικών προσόδων, δηλαδή συµβατικής θέρµανσης. Αντίστοιχα για το καλοκαίρι, η µείωση των ηλιακών προσόδων περιορίζει την ανάγκη απόρριψης θερµότητας, δηλαδή τον κλιµατισµό. Άρα, η µείωση της ροής θερµότητας διαµέσου του κελύφους και των ανοιγµάτων του µπορεί να οδηγήσει στον περιορισµό λειτουργίας συσκευών θέρµανσης ή κλιµατισµού, µε άµεσο οικονοµικό και περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Σηµαντικό µέτρο µείωσης των θερµικών απωλειών τον χειµώνα είναι ο έλεγχος της ανεπιθύµητης διείσδυσης αέρα Για τον λόγο αυτό πρέπει να σφραγισθούν αεροστεγώς οι κατασκευαστικοί αρµοί του κτηρίου (π.χ. ανάµεσα στα κουφώµατα και τον τοίχο, στους τοίχους και την ξύλινη στέγη), οι αρµοί των ανοιγόµενων κουφωµάτων, να τοποθετηθούν φραγές (ντάµπερ) στις καµινάδες. Το καλοκαίρι η αεροστεγανότητα των αρµών εξασφαλίζει τη µείωση των ανεπιθύµητων θερµικών προσόδων λόγω της εισόδου του θερµότερου εξωτερικού αέρα.
Για τη µείωση της ροής θερµότητας από το αδιαφανές τµήµα του εξωτερικού περιβλήµατος πρέπει να παρεµβληθεί στρώση θερµοµονωτικού υλικού, δηλαδή το κέλυφος πρέπει να θερµοµονωθεί. Τα θερµοµονωτικά είναι υλικά που παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στη ροή θερµότητας διαµέσου του υλικού τους. Την ιδιότητα αυτή οφείλουν στις πολύ µικρές κυψελίδες ακίνητου αέρα που περικλείονται σε αφθονία στη µάζα τους. Θερµοµονωτικά υλικά που συναντώνται στη φύση είναι το τρίχωµα των ζώων, το πτέρωµα των πουλιών, ο φελλός, η ελαφρόπετρα κ.ά. Γενικά, τα θερµοµονωτικά υλικά, όσον αφορά τη δοµή τους, µπορούν να ταξινοµηθούν σε δύο οµάδες: τα ινώδη και τα πορώδη. Ινώδη µονωτικά υλικά είναι ο υαλοβάµβακας, ο ορυκτοβάµβακας, οι ίνες αµιάντου κ.ά.. Πορώδη µονωτικά υλικά για οικοδοµική χρήση είναι ο φελλός, η διογκωµένη και η εξηλασµένη πολυστερίνη, ο αφρός πολυουρεθάνης, ο αφρός πολυαιθυλενίου, ο αφρός υάλου, ο διογκωµένος περλίτης, η ελαφρόπετρα κ.ά. Πρέπει να τονισθεί ότι τα θερµοµονωτικά υλικά προσφέρουν αντίσταση στη ροή θερµότητας και κατά τις δύο διευθύνσεις: από µέσα προς τα έξω τον χειµώνα (δηλαδή µειώνουν τις ) και από έξω προς τα µέσα το καλοκαίρι (δηλαδή µειώνουν τις προσόδους). Κριτήρια επιλογής του κατάλληλου θερµοµονωτικού υλικού για µία συγκεκριµένη οικοδοµική εφαρµογή είναι: - Ο συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας λ (W/mK). Μικρότερη τιµή του λ συνεπάγεται µικρότερο απαιτούµενο πάχος στρώµατος θερµοµονωτικού υλικού - Η µορφή στην οποία προσφέρεται, δηλ. εάν είναι άκαµπτη πλάκα, εύκαµπτο ρολό (πάπλωµα), επί τόπου διαµορφούµενος αφρός, άµορφο υλικό όπως ίνες λευκού υαλοβάµβακα, κόκκοι διογκωµένου περλίτη, ελαφρόπετρα κουφέτο - Εάν οι κυψελίδες του είναι ανοικτές ή κλειστές. Σε περιπτώσεις όπου υπάρχει κίνδυνος να εισχωρήσει νερό στη θερµοµόνωση (όπως π.χ. στο δώµα) συνήθως προτιµάται υλικό µε κλειστές κυψελίδες, όπως η εξηλασµένη πολυστερίνη. Το νερό όντας 20 φορές περίπου πιο θερµαγωγό από τον αέρα εάν εισχωρήσει στο θερµοµονωτικό υλικό εξουδετερώνει τη λειτουργία του - Η αντοχή του σε θλίψη. ιαφορετική π.χ. είναι η απαίτηση για θερµοµόνωση δικέλυφου τοίχο από εκείνη πατώµατος µε βαριά κυκλοφορία - Η ανώτατη θερµοκρασία λειτουργίας του, που ενδιαφέρει για περιπτώσεις όπως π.χ. θερµοµόνωσης καµινάδας - Η συµπεριφορά του σε φωτιά - Εάν προσφέρει ταυτόχρονα ηχοαπορρόφηση - Η τρωτότητά του από έντοµα και τρωκτικά - Η διάρκεια ζωής του - Εάν υπάρχει πιθανότητα η εφαρµογή του να προκαλέσει προβλήµατα υγείας στους τεχνικούς και αργότερα στους ενοίκους - Η βιωσιµότητα ή αειφορικότητά του (sustainability), δηλαδή εάν η παραγωγή του γίνεται µε την µικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας και φυσικών πόρων, χωρίς να παράγονται αέρια τοξικά ή βλαβερά για το περιβάλλον, καθώς και εάν µπορεί να ανακυκλωθεί Σε ένα µη θερµοµονωµένο εξωτερικό τοίχο κατασκευασµένο από οµοιογενή υλικά, τον χειµώνα παρατηρείται γραµµική πτώση της θερµοκρασίας στη µάζα του από την εσωτερική προς την εξωτερική του πλευρά. Εάν θερµοµονωθεί ο τοίχος,
τότε στο τµήµα του τοίχου εσωτερικά της θερµοµόνωσης η πτώση της θερµοκρασίας περιορίζεται σηµαντικά, όπως δηλαδή λέγεται πρακτικά το τµήµα εκείνο παραµένει ζεστό. Θερµογέφυρες αποτελούν τα τµήµατα ενός θερµοµονωµένου κελύφους τα οποία για διάφορους λόγους δεν έχουν θερµοµονωθεί, ή η θερµοµόνωσή τους είναι περιορισµένη, µε αποτέλεσµα να προσφέρουν διόδους στη ροή θερµότητας. Προβληµατικά σηµεία όσον αφορά τη διαφυγή θερµότητας είναι και οι δίεδρες ή τρίεδρες γωνίες των χώρων στη συµβολή των επιπέδων του κελύφους του κτηρίου π.χ. δίεδρη γωνία στη συµβολή δύο εξωτερικών τοίχων, τρίεδρη γωνία στη συµβολή δύο εξωτερικών τοίχων και δώµατος, ή δύο εξωτερικών τοίχων και οροφής pilotis. Το φαινόµενο αυτό οφείλεται στο ότι στις περιοχές αυτές σε κάθε µοναδιαία εσωτερική επιφάνεια αντιστοιχεί πολλαπλάσια εξωτερική επιφάνεια, αφού το εµβαδόν του περιβλήµατος στην περιοχή της γωνίας εξωτερικά είναι µεγαλύτερο από το αντίστοιχο εσωτερικά. Η πτώση της εσωτερικής επιφανειακής θερµοκρασίας στην περιοχή της γωνίας επιτείνεται από το γεγονός ότι στις θέσεις αυτές παρατηρείται επιβράδυνση των ρευµάτων θερµού αέρα, τα οποία διαφορετικά θα µετέφεραν µεγαλύτερη ποσότητα θερµότητας στη περιοχή. Συνέπεια της χαµηλότερης εσωτερικής επιφανειακής θερµοκρασίας στη περιοχή των γωνιών και των θερµογεφυρών είναι ότι στις θέσεις αυτές παρατηρείται συµπύκνωση των υδρατµών του εσωτερικού χώρου. Η ελαφρότερη επίπτωση της συµπύκνωσης υδρατµών είναι η χρωµατική αλλοίωση των επιφανειών στις οποίες γίνεται η συµπύκνωση και η βαρύτερη είναι η ανάπτυξη µούχλας. Για να αντιµετωπισθεί ριζικά το πρόβληµα της µούχλας πρέπει το εξωτερικό περίβληµα να θερµοµονωθεί µε ιδιαίτερη προσοχή, χωρίς θερµογέφυρες ή διακοπές στις περιοχές των γωνιών. Σε υφιστάµενες περιπτώσεις, εάν δεν είναι πρακτικά δυνατή η θερµοµόνωση τού κελύφους, σηµαντική βελτίωση µπορεί να επιτευχθεί µε καλό αερισµό για να µειωθεί η υγρασία του χώρου ή/και µε χρήση κατάλληλης βαφής στις επιφάνειες που αναπτύσσεται µούχλα. Η θερµική συµπεριφορά ενός κτιρίου που θερµαίνεται (ή ψύχεται) διακοπτόµενα επηρεάζεται από την θερµοχωρητικότητα του κελύφους του. Θερµοχωρητικότητα, είναι η ιδιότητα των υλικών να αποθηκεύουν θερµότητα στη µάζα τους. Κατασκευές µε µεγάλη θερµοχωρητικότητα µπορούν να αποθηκεύουν σηµαντικές ποσότητες θερµότητας, τις οποίες αποδίδουν όταν ψύχονται. Έτσι, σε ένα χώρο που περικλείεται από κατασκευές µεγάλης θερµοχωρητικότητας περιορίζεται η άνοδος της θερµοκρασίας του αέρα όταν προσφέρεται θερµότητα, ενώ επιβραδύνεται η πτώση της όταν διακόπτεται η παροχή θερµότητας. Συνεπώς, η θερµοχωρητικότητα του κελύφους λειτουργεί ως εξοµαλυντικός παράγοντας της διακύµανσης της θερµοκρασίας του εσωτερικού αέρα όταν υπάρχει διακοπτόµενη θέρµανση (π.χ. από τον ήλιο ή θερµαντικές συσκευές). Στην οικοδοµή υλικά µεγάλης θερµοχωρητικότητας είναι η πέτρα, το µάρµαρο, το σκυρόδεµα, το τούβλο -ιδιαίτερα το συµπαγές-, τα κεραµικά πλακίδια. Η σχετική θέση της θερµοµονωτικής στρώσης στο κέλυφος ενός κτιρίου µπορεί να επηρεάσει τη θερµοχωρητικότητά του σε σχέση µε τον εσωτερικό χώρο. Στην εξωτερική τοιχοποιία π.χ. η θερµοµονωτική στρώση µπορεί να τοποθετηθεί σε τρεις θέσεις:
- εξωτερικά, οπότε προστατεύεται η κατασκευή από τις θερµοκρασιακές διακυµάνσεις του περιβάλλοντος και όλη η θερµοχωρητικότητά της αποδίδεται στον εσωτερικό χώρο - εσωτερικά, οπότε η κατασκευή είναι εκτεθειµένη στις θερµοκρασιακές διακυµάνσεις του περιβάλλοντος και η θερµοχωρητικότητά της αποµονώνεται από τον εσωτερικό χώρο - ενδιάµεσα, που έχει κατασκευαστικά προτερήµατα και θερµική συµπεριφορά ενδιάµεση µεταξύ των δύο προηγούµενων περιπτώσεων Για να µειωθούν οι από τα υαλοστάσια ενός κτηρίου χρησιµοποιούνται διπλοί υαλοπίνακες. Οι διπλοί υαλοπίνακες προσφέρουν αντίσταση στη ροή θερµότητας επειδή εγκλωβίζουν ένα λεπτό στρώµα ξηρού αέρα σε ακινησία. Μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή θερµότητας µπορεί να επιτευχθεί εάν χρησιµοποιηθούν ειδικοί τύποι υαλοπινάκων που ανακλούν επιλεκτικά τη θερµική ακτινοβολία (υαλοπίνακες χαµηλής εκποµπής, low Emissivity glass), ή ακόµη και τριπλοί υαλοπίνακες. Το υλικό κατασκευής των κουφωµάτων πρέπει επίσης να προσφέρει αντίσταση στη ροή θερµότητας. Στα µεταλλικά κουφώµατα αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε την παρεµβολή υλικών περιορισµού της θερµικής ροής ( κουφώµατα µε θερµοδιακοπή ) Η περίπτωση χρήσης διπλών κουφωµάτων έχει το πλεονέκτηµα ότι περιορίζονται επιπλέον οι από το πλαίσιο των κουφωµάτων όπως και η διείσδυση αέρα από τους αρµούς.