Θερμομόνωση_Κτιρίων

ΘΕΩΡΙΑ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗΣ – Θεμελιώδεις Έννοιες

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ – ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

Η θερμότητα είναι γνωστή από τη φυσική ως μορφή ενέργειας. Μονάδα μέτρησης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το joule. Η θερμίδα (cal) και η χιλιοθερμίδα (kcal) ήταν η μονάδα που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη θερμότητα. Μια χιλιοθερμίδα ορίζεται ως το ποσό θερμότητας που πρέπει να δώσουμε σε ένα λίτρο νερού που βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό. Οι μονάδες θερμότητας έχουν μεταξύ τους τις ακόλουθες σχέσεις: 1 kcal = 1000 cal = 4186,8 joules.

Η θερμότητα ως μορφή ενέργειας προσδιορίζεται μέσω της θερμοκρασίας (βαθμοί Κελσίου oC ή Φαρενάιτ F ή Κέλβιν Κ). Η θερμοκρασία είναι η φυσική ιδιότητα που βασικά προσδιορίζει τις έννοιες του ζεστού και του κρύου. Συνεπώς θερμότητα και θερμοκρασία είναι διαφορετικές έννοιες.

Η μεν θερμότητα είναι μορφή ενέργειας, η δε θερμοκρασία ιδιότητα και μέγεθος μέσω του οποίου προσδιορίζεται η θερμότητα.

Είναι γνωστό ότι ανάμεσα σε δυο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες, προκαλείται μια συνεχής ροή θερμότητας από το θερμότερο προς το ψυχρότερο. Στις κτιριακές κατασκευές, για να εξασφαλιστεί ένα άνετο εσωτερικό κλίμα (θερμική άνεση) που σημαίνει διατήρηση της επιθυμητής εσωτερικής θερμοκρασίας (χειμώνα-καλοκαίρι), εκείνο που ενδιαφέρει είναι να περιοριστούν οι θερμικές απώλειες, δηλαδή η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών χώρων ή εσωτερικών χώρων διαφορετικών χρήσεων. Αυτή η ροή θερμότητας είναι αδύνατο να εμποδιστεί τελείως και μπορεί, μόνο, να περιοριστεί χρησιμοποιώντας στα κτίρια με κατάλληλο τρόπο κατάλληλα υλικά με συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες. Τα υλικά αυτά ονομάζονται θερμομονωτικά υλικά.


ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μετάδοση της θερμότητας στη φύση γίνεται με τρεις τρόπους:

  •  ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΗ

Μετάδοση θερμότητας με θερμική αγωγή λέγεται η μετάβαση της θερμότητας από μόριο σε μόριο (μέσω επαφής) σε στερεά, υγρά και αέρια σώματα (π.χ. από το αναμμένο μάτι της κουζίνας στο μαγειρικό σκεύος ή από το ζεστό ρόφημα στο ποτήρι και μετά στο χέρι).

  •  ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (Η ΣΥΝΑΓΩΓΗ)

Αυτή βασίζεται στη δυνατότητα μεταβίβασης της θερμότητας σε υγρά ή αέρια σώματα μέσω της μετακίνησης των θερμών μορίων. Στα κτίρια, με τη φυσική κυκλοφορία του αέρα διακινούνται σημαντικά ποσά θερμότητας. Εκτός από τη φυσική κυκλοφορία του αέρα, που οφείλεται σε θερμοκρασιακές μεταβολές μέσα στους χώρους, μετακινήσεις του αέρα των χώρων προκαλούν και οι άνεμοι, οι κινήσεις των ανθρώπων, τα ανοίγματα θυρών και παραθύρων, η λειτουργία ανεμιστήρων, κλιματιστικών κ.ά.

  •  ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

Για την διάδοση της θερμότητας με αγωγή ή με μεταφορά χρειάζεται n παρουσία της ύλης (στερεά, υγρά ή αέρια). Η θερμότητα όμως διαδίδεται και στο κενό. Γνωστό παράδειγμα στη φύση είναι η θέρμανση της Γης από τον Ήλιο (ηλιακή ακτινοβολία), όπου δεν υπάρχει μέσο διάδοσης. Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία συμβαίνει μεταξύ στερεών σωμάτων με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

.

ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

Θερμομόνωση στις κτιριακές κατασκευές λέγεται το σύνολο των κατασκευαστικών μέτρων που λαμβάνονται για την μείωση της μετάδοσης θερμότητας μεταξύ των εσωτερικών χώρων ενός κτιρίου και της ατμόσφαιρας και μεταξύ εσωτερικών χώρων του ίδιου κτιρίου διαφορετικής θερμοκρασίας ή χρήσης.

Ο στόχος της θερμομόνωσης των κτιρίων είναι:

  • Η εξοικονόμηση ενέργειας (για ψύξη το καλοκαίρι και θέρμανση το χειμώνα), π.χ. πετρέλαιο, φυσικό αέριο, ηλεκτρικό ρεύμα – συνεπάγεται χαμηλότερο κόστος.
  • Η διατήρηση της επιθυμητής εσωτερικής θερμοκρασίας και της επιφανειακής θερμοκρασίας των δομικών στοιχείων που εξασφαλίζει θερμική άνεση για τους ενοίκους.
  • Η προστασία του περιβάλλοντος.
  • Η αποφυγή μεγάλων θερμικών συστολοδιαστολών των δομικών στοιχείων που έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των κατασκευών λόγω μικρότερων θερμικών καταπονήσεων.
  • Η αποφυγή συμπύκνωσης υδρατμών μέσα η επάνω στην επιφάνεια ενός δομικού στοιχείου – εμφάνιση υγρασίας, δημιουργία μυκήτων-μούχλας.

.

ΟΡΙΣΜΟΙ – ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (Q):

Έτσι ονομάζεται η ικανότητα ενός κατασκευαστικού στοιχείου να αποθηκεύει, κατά τη θέρμανσή του, ποσότητες θερμότητας.

Υλικά με αυξημένη ικανότητα θερμοχωρητικότητας είναι συνήθως υλικά με μεγάλη πυκνότητα, όπως ο χάλυβας, το μπετό, το γυαλί, τα συμπαγή τούβλα, το νερό κ.α.. Αντίθετα υλικά χαμηλού ειδικού βάρους όπως το ξύλο καθώς και όλα τα θερμομονωτικά υλικά έχουν σημαντικά μειωμένη την ικανότητα αυτή.

Ο ρόλος που παίζει η θερμοχωρητικότητα των δομικών υλικών στις κατασκευές και στον τρόπο με τον οποίο θερμομονώνονται τα κτίρια είναι ο εξής: Αν η θερμομονωτική στρώση τοποθετηθεί στην εξωτερική όψη ενός κτιρίου, η θερμοχωρητικότητα των δομικών στοιχείων θα αξιοποιηθεί, επειδή η μάζα των βαρέων υλικών (τοιχοποιία, στοιχεία μπετού) θα βρίσκεται προς την εσωτερική πλευρά και θα προστατεύεται θερμομονωτικά από την εξωτερική. Αυτό σημαίνει ότι με την έναρξη της θέρμανσης του χώρου θα αντλεί θερμότητα από το εσωτερικό περιβάλλον, καθυστερώντας αρχικά την άνοδο της θερμοκρασίας, θα την αποταμιεύει ως θερμική μάζα και θα την επαναποδίδει στο χώρο με τη διακοπή της πηγής θέρμανσής του, καθυστερώντας αυτή τη φορά την πτώση θερμοκρασίας του χώρου. Η διαδικασία αυτή έτσι όπως προαναφέρθηκε συντελεί στην διατήρηση σταθερού εσωτερικού κλίματος και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Στην περίπτωση της εσωτερικής τοποθέτησης της θερμομονωτικής στρώσης ισχύει ακριβώς το αντίθετο. Δηλαδή, ο χώρος αρχικά θερμαίνεται γρήγορα, με την διακοπή της πηγής θέρμανσης του όμως και μη έχοντας εκμεταλλευτεί την θερμοχωρητικότητα των δομικών στοιχείων ψύχεται επίσης γρήγορα και το σύστημα θέρμανσης πρέπει να μπει σύντομα σε λειτουργία για την εξασφάλιση σταθερής θερμοκρασίας στο χώρο.

ΘΕΡΜΟΓΕΦΥΡΑ:

Είναι το τμήμα ενός κατασκευαστικού στοιχείου του οποίου η ποιότητα θερμομόνωσης (θερμική αντίσταση) είναι σημαντικά κατώτερη από τη μέση τιμή θερμομόνωσης του συνόλου του στοιχείου, φαινόμενο το οποίο οφείλεται κατά κύριο λόγω στη έλλειψη θερμομόνωσης του στοιχείου.

Το πρόβλημα της θερμογέφυρας παρουσιάζεται συνήθως σε δοκούς και υποστυλώματα που δεν θερμομονώνονται, σε διαζώματα ενίσχυσης (σενάζ), σε πρέκια και σε προεξοχές σκυροδέματος από τον κύριο όγκο του κτιρίου (αρχιτεκτονικές προεξοχές, πρόβολοι κ.ά). Στην περιοχή της θερμογέφυρας, λόγω της αυξημένης ροής της θερμότητας, παρουσιάζονται στις εσωτερικές πλευρές του τοιχώματος χαμηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες (τους χειμερινούς μήνες), με αποτέλεσμα τη συχνή εμφάνιση τοπικής υγρασίας (συμπύκνωση υδρατμών – εμφάνιση μούχλας) και τον περιορισμό του αισθήματος θερμικής άνεσης για τους ενοίκους. Ο καλύτερος τρόπος αντιμετώπισης των θερμογεφυρών είναι ο εκ των προτέρων καλός σχεδιασμός της θερμικής προστασίας της κατασκευής, ώστε να μειωθούν στο ελάχιστο οι θερμογέφυρες.

ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΥΔΡΑΤΜΩΝ:

Συμπύκνωση υδρατμών σε κτιριακές κατασκευές, ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένας μέρος των υδρατμών που περιέχει ο εσωτερικός αέρας μεταβαίνουν από την αέρια στην υγρή φάση όταν έρχονται σε επαφή με επιφάνειες που παρουσιάζουν αρκετά χαμηλότερη θερμοκρασία από το μέσο όρο των υπολοίπων επιφανειών του ίδιου χώρου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού του φαινομένου είναι το θόλωμα των υαλοπινάκων (τζαμιών) κατά τους χειμερινούς κυρίως μήνες σε χώρους με αυξημένη παρουσία υδρατμών όπως οι κουζίνες και τα λουτρά. Για να εμφανιστεί το φαινόμενο της συμπύκνωσης υδρατμών πρέπει να υπάρξουν οι κατάλληλες συνθήκες σχετικής υγρασίας και θερμοκρασίας του χώρου αλλά και της επιφάνειας πάνω στην οποία συντελείται η συμπύκνωση (υγροποίηση).

ΔΙΑΧΥΣΗ ΥΔΡΑΤΜΩΝ:

Σε κάθε εξωτερικό ή εσωτερικό υδρατμοδιαπερατό δομικό στοιχείο, όταν μεταξύ των δυο όψεων του επικρατεί διαφορετική συγκέντρωση υδρατμών, οι συγκεντρώσεις τείνουν να εξισωθούν.

Αναπτύσσεται τότε μια ροή υδρατμών από την πλευρά με την μεγαλύτερη συγκέντρωση προς αυτή με την μικρότερη μέσω του δομικού στοιχείου, που οφείλεται στη διαφορετική πίεση που ασκούν οι υδρατμοί στις δυο όψεις.

{Όταν η συγκέντρωση υδρατμών μεταξύ δυο χώρων είναι η ίδια αλλά η θερμοκρασία είναι διαφορετική, τότε η υδρατμοί μετακινούνται από τον χώρο με την υψηλότερη θερμοκρασία στο χώρο με την χαμηλότερη θερμοκρασία.}

Εφόσον κατά τη διάχυση των υδρατμών η μερική τους πίεση φτάσει, λόγω της πτωτικής πορείας της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του δομικού στοιχείου, στο σημείο κορεσμού, ένα μέρος των υδρατμών συμπυκνώνεται και σχηματίζει την υγρασία εσωτερικής συμπύκνωσης, ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την πορεία προς το εξωτερικό περιβάλλον. Το προσφορότερο σημείο για να σχηματιστεί συμπύκνωση υδρατμών, είναι η ψυχρή πλευρά της θερμομονωτικής στρώσης (η εξωτερική πλευρά), διότι εκεί παρατηρείται απότομη πτώση της θερμοκρασίας κατά την κίνηση των υδρατμών από μέσα προς τα έξω.

Το φαινόμενο αυτό είναι μείζονος σημασίας για τη σωστή διάταξη των υλικών που αποτελούν ένα δομικό στοιχείο που διαχωρίζει εσωτερικό από εξωτερικό χώρο (όπως τοίχο, σκεπή, δώμα κ.α), διότι έτσι μπορεί να ελεγχθεί το φαινόμενο χωρίς να δημιουργήσει πρόβλημα στην κατασκευή.

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΧΥΣΗ ΥΔΡΑΤΜΩΝ (μ):

Η αντίσταση των δομικών υλικών στην διάχυση υδρατμών διαμέσου της μάζας τους προσδιορίζεται με τον συντελεστή αντίστασης στη διάχυση υδρατμών (μ) (αλλιώς και συντελεστής υδρατμοδιαπερατότητας). Όταν ο συντελεστής μ ισούται με την μονάδα (μ=1) για ένα υλικό, τότε το υλικό αυτό παρουσιάζει ίση αντίσταση στη διάχυση των υδρατμών με εκείνη που θα παρουσίαζε ο ατμοσφαιρικός αέρας σε στρώση πάχος ίση με εκείνη του υλικού.

ΦΡΑΓΜΑ ΥΔΡΑΤΜΩΝ:

Υλικά που παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στη διάχυση των υδρατμών και παρεμποδίζουν την διέλευσή τους μέσα από τη μάζα του δομικού στοιχείου λειτουργούν ως φράγματα υδρατμών.

Η αντίσταση αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε υλικό και ορίζεται από τον συντελεστή αντίστασης στη διάχυση των υδρατμών (μ). Όσο μεγαλύτερος ο μ τόσο μεγαλύτερη η αντίσταση του υλικού στη διάχυση υδρατμών από τη μάζα του.

Ως φράγματα υδρατμών μπορούν να θεωρηθούν οι διάφοροι τύποι ασφαλτοπάνων, οι ασφαλτικές επαλείψεις, ορισμένες αδιάβροχες βαφές που δεν είναι υδρατμοδιαπερατές, φύλλα αλουμινίου, φύλλα πολυαιθυλενίου (νάιλον) κ.α.. Αν ένα τέτοιο υλικό τοποθετηθεί στην εξωτερική όψη του δομικού στοιχείου, παρεμποδίζει τη διέλευση των υδρατμών και ευνοεί την συμπύκνωσή τους. Οι υγροποιημένοι υδρατμοί προσβάλλουν τη θερμομονωτική στρώση, καθώς και τις άλλες στρώσεις της τοιχοποιίας και μειώνουν την θερμική τους προστασία.

Κατά γενική αρχή η τοιχοποιία πρέπει να αφήνεται ελεύθερη να “αναπνέει” και τίποτα να μην παρεμποδίζει τη διάχυση των υδρατμών. Σε περίπτωση που αυτό δεν είναι δυνατό (π.χ. υπάρχει ασφαλτόπανο εξωτερικά σε υπόγειο τοίχο για στεγανοποίηση), τότε θα πρέπει να ληφθεί μέριμνα για τοποθέτηση ενός φράγματος υδρατμών σε θέση προηγούμενη της θερμομονωτικής στρώσης, ώστε να ανακόψει την πορεία των διαχεόμενων υδρατμών πριν ακόμη φτάσουν στην ψυχρή όψη του θερμομονωτικού υλικού και συμπυκνωθούν.

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ (λ):

Ορίζει τη ροή θερμότητας, που διέρχεται από τη μονάδα επιφάνειας ενός υλικού, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δυο απέναντι επιφανειών του είναι ίση με τη μόνάδα.    

Πρακτικά εκφράζει την θερμομονωτική ικανότητα ενός υλικού. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας συμβολίζεται με το γράμμα λ και στο διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I) μετράται W/mK. Παλαιότερη μονάδα μέτρησης ήταν το kcal/hmoC και έτσι απαντάται ακόμη σε ορισμένα συγγράμματα ή διαφημιστικά φυλλάδια εταιριών. Η αντιστοιχία μεταξύ της παλαιότερης μονάδας μέτρησης και της νεότερης είναι: 1 kcal/hmoC = 1,163 W/mK.

Όσο μικρότερη είναι η τιμή του λ ενός υλικού τόσο καλύτερη είναι η θερμομόνωση που παρέχει. Ο λ δεν είναι σταθερός και επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως τη θερμοκρασία στην οποία μετράται, τη περιεκτικότητα της υγρασίας του θερμομονωτικού υλικού η οποία επίσης μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου (σε διαφορετικούς ρυθμούς από υλικό σε υλικό) κ.ά.

 

Κείμενο: Κυρανάκης Λευτέρης | Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός