Που και πως λαμβάνουν χώρα οι θερμικές απώλειες σε μία κατοικία

Εκατοντάδες ή και χιλιάδες ευρώ για πετρέλαιο τον χειμώνα και για ρεύμα το καλοκαίρι ξοδεύει κάθε χρόνο εν μέσω οικονομικής κρίσης το ελληνικό νοικοκυριό για θέρμανση και ψύξη αντίστοιχα, την ίδια στιγμή που οι βιοκλιματικές κατασκευές προσφέρουν πολύ μεγάλα ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας και χρημάτων.

Τα πιο πολλά σπίτια στη χώρα μας χάνουν το μεγαλύτερο ποσοστό της θερμότητας από την εξωτερική τοιχοποιία και τα κουφώματά τους, ενώ θα μπορούσαν έχουν σημαντική οικονομία αν είχαν κατασκευαστεί σωστά. Εναλλακτικά θα μπορούσαν, τα υπάρχοντα κτίσματα, με τις κατάλληλες βιοκλιματικές παρεμβάσεις, να μειώσουν στο μισό την κατανάλωση πετρελαίου.

Πώς μεταδίδεται η θερμότητα και από ποια σημεία ενός κτιρίου

Όλοι γνωρίζουμε λίγο έως πολύ ότι τον χειμώνα δεν θέλουμε να φεύγει η ζέστη από το εσωτερικό ενός κτιρίου προς το ψυχρότερο εξωτερικό περιβάλλον, ενώ το καλοκαίρι δεν θέλουμε να εισέρχεται η ζέστη προς το ψυχρότερο εσωτερικό περιβάλλον. Σε μία τυπική (μη μονωμένη) κατοικία «χάνουμε» περίπου το 25% από την οροφή, το 25% από τα παράθυρα, το 35% από τους τοίχους και το 15% από το δάπεδο.

Για να κατανοήσουμε όμως τι ακριβώς κάνει μία μόνωση και γιατί είναι χρήσιμη πρέπει να δούμε τους τρόπους με τους οποίους μεταδίδεται η θερμότητα.

Μέσω αγωγής: Το κυρίως πρόβλημα σε τοίχους, πατώματα και στέγη

Η μετάδοση θερμότητας μέσω αγωγής έχει να κάνει με τη μεταφορά θερμότητας από ένα σώμα σε ένα άλλο μέσω επαφής και είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας των δύο σωμάτων. Η μετάδοση θερμότητας μέσω αγωγής είναι ο πιο γνωστός και συνήθης στο ευρύ κοινό τρόπος μεταφοράς θερμότητας.

Η μετάδοση θερμότητας μέσω αγωγής γίνεται όταν δύο σώματα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους όπως π.χ. το χέρι μας και το καυτό χερούλι ενός τηγανιού που είναι πάνω στο μάτι της κουζίνας. Η θερμότητα ρέει από  το καυτό χερούλι στο πιο κρύο χέρι μας και νιώθουμε ότι καιγόμαστε. Ωστόσο τα πιο πολλά τηγάνια έχουν κάποιας μορφής προστατευτικό υλικό που επιβραδύνει τη ροή θερμότητας έτσι ώστε να μπορούμε να πιάσουμε το χερούλι με άνεση χωρίς να καιγόμαστε. Την ίδια δουλειά κάνει και ένα θερμομονωτικό υλικό, επιβραδύνει τη ροή θερμότητας από το ζεστό προς το κρύο.

Σε μία κατοικία η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγής γίνεται μέσα από τους τοίχους, το πάτωμα και το ταβάνι. Τον χειμώνα η ζέστη κινείται σταδιακά από το ζεστότερο εσωτερικό του τοίχου, του πατώματος ή της οροφής προς το πιο ψυχρό εξωτερικό μέρος των τριών παραπάνω επιφανειών που είναι σε άμεση επαφή με το κρύο περιβάλλον.

Το καλοκαίρι η διαδικασία αυτή γίνεται ανάποδα, καθώς η υψηλότερη θερμοκρασία του εξωτερικού μέρους των παραπάνω επιφανειών που έρχεται σε επαφή με το ζεστό περιβάλλον, οδηγεί σε σταδιακή μεταφορά θερμότητας προς το ψυχρότερο εσωτερικό τους που συνακόλουθα οδηγεί σε άνοδο της θερμοκρασίας εντός ενός κτιρίου. Πάντα η θερμότητα ρέει από το ζεστότερο σώμα προς το πιο κρύο και ποτέ αντιστρόφως, σύμφωνα με τον 2ο Νόμο της Θερμοδυναμικής.

Η δουλειά της θερμομόνωσης λοιπόν είναι να περιορίσει τον ρυθμό με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα από τις εσωτερικές στις εξωτερικές επιφάνειες τον χειμώνα και από τις εξωτερικές στις εσωτερικές επιφάνειες το καλοκαίρι.

Μέσω συναγωγής: Βρόγχοι θερμότητας στον αέρα εντός κτιρίου

Η συναγωγή αφορά στη μεταφορά θερμότητας μέσω υγρών ή αερίων όπως το νερό και ο αέρας. Η θερμότητα μεταφέρεται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας και πυκνότητας. Τα πιο ζεστά υγρά με χαμηλότερη πυκνότητα έχουν την τάση να ανεβαίνουν, ενώ τα ψυχρότερα και με μεγαλύτερη πυκνότητα υγρά έχουν την τάση να πέφτουν.

Όπως προείπαμε η θερμότητα μεταφέρεται πάντα από τις υψηλότερες θερμοκρασίες στις χαμηλότερες ανεξαρτήτου θέσης. Ο ζεστός αέρας κινείται πάντα προς τα πάνω (τρόπος λειτουργίας των αερόστατων), όπως ο καπνός σε μία καμινάδα, από υψηλότερες, βαρύτερες πυκνότητες σε χαμηλότερες, πιο ελαφριές πυκνότητες.

Τον χειμώνα, ο ζεστός αέρας κινείται προς τα πάνω μέσω συναγωγής. Αν σταθούμε σε ένα τυπικό παράθυρο μίας κατοικίας, νιώθουμε κρύο αέρα να κινείται προς το πάτωμα, καθώς ο ζεστός αέρας «χάνει» ενέργεια λόγω της ψυχρότερης περιοχής του ανοίγματος, γίνεται πυκνότερος και «βυθίζεται» προς το πάτωμα λόγω συναγωγής.

Άλλο ένα παράδειγμα συναγωγής παρατηρείται όταν βράζουμε νερό σε μία κατσαρόλα. Το ελαφρύτερο υγρό κινείται προς τα πάνω και κάνει τις γνωστές φυσαλίδες, ενώ το ψυχρότερο πέφτει προς τον πάτο της κατσαρόλας.

Βέβαια ο πιο οικείος προς όλους τρόπος μετάδοσης θερμότητας μέσω συναγωγής είναι ο τρόπος με τον οποίο ζεσταίνει ένα χώρο το γνωστό μας καλοριφέρ, το οποίο ζεσταίνει τον διαρκώς κινούμενο αέρα γύρω του.

Μέσω ακτινοβολίας: Ροή θερμότητας από επιφάνεια σε επιφάνεια

Το χαρακτηριστικότερα παράδειγμα μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας είναι ο ήλιος. Το άστρο του ηλιακού μας συστήματος και τη Γη, χωρίζει ένας πολύ μεγάλης έκτασης χώρος όπου δεν υπάρχει κάποιο μέσο, στερεό, αέριο ή υγρό με το οποίο θα μπορούσε να μεταδοθεί η θερμότητα. Παρά ταύτα, υπό το φώς του ηλίου, νιώθουμε μία ζεστή θαλπωρή και θερμική άνεση όχι μόνο το καλοκαίρι αλλά και τον χειμώνα.

Ο λόγος που συμβαίνει το παραπάνω είναι ότι υπάρχει μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας ακόμα και στο κενό και ο μηχανισμός αυτός αφορά στη μετάδοση θερμότητας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, δηλαδή ακτινοβολίας.

Η μετάδοση μέσω ακτινοβολίας είναι ο λόγος για τον οποίο ένα δωμάτιο που «βλέπει» για πολλές ώρες τον ήλιο έχει υψηλότερη θερμοκρασία από τα άλλα. Το παραπάνω μπορεί να είναι επιθυμητό τον χειμώνα ωστόσο δημιουργεί εύλογα προβλήματα το καλοκαίρι.

Όλα τα σώματα λίγο έως πολύ ακτινοβολούν, ακόμη και το ανθρώπινο σώμα δύναται να χάσει θερμότητα μέσω ακτινοβολίας προς τις πιο ψυχρές επιφάνειες (τοίχους, υαλοπίνακες κ.α.). Χαρακτηριστικό παράδειγμα μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας είναι το τζάκι, το οποίο παρότι χάνει ένα πολύ μεγάλο μέρος της θερμικής ενέργειας προς το εξωτερικό περιβάλλον μέσω της καμινάδας, καταφέρνει να ζεστάνει επαρκώς έναν κλειστό χώρο.

Η μετάδοση θερμότητας μέσω ακτινοβολίας είναι άλλος ένας λόγος που μονώνουμε το κέλυφος ενός κτιρίου ή χρησιμοποιούμε προϊόντα Low-e ώστε να αποφύγουμε το πρόβλημα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, οι εσωτερικές επιφάνειες να ακτινοβολούν προς το εσωτερικό αυξάνοντας περαιτέρω τη θερμοκρασία και το χειμώνα να μην έχουμε τη δημιουργία κρύων σημείων.

Πώς σταματά η μόνωση τις απώλειες

Μετά από όλα αυτά γίνεται κατανοητό λοιπόν ότι η μόνωση στόχο έχει να περιορίσει κατά το δυνατόν τον ρυθμό που χάνουμε θερμότητα τον χειμώνα και εισέρχεται θερμότητα το καλοκαίρι στο εσωτερικό ενός κτιρίου. Η ροή της θερμότητας από το ζεστό στο κρύο αργά η γρήγορα θα γίνει όπως καθορίζει ο 2ος Νόμος της Θερμοδυναμικής, αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι να περιορίσουμε το πόσο γρήγορα θα γίνει αυτή η μεταφορά και αυτός είναι ο λόγος που είναι σοφό να επενδύσουμε στη σωστή μόνωση ενός κτιρίου.

Όσο λιγότερο μονωμένο είναι ένα κτίριο τόσο γρηγορότερα θα κρυώνει τον χειμώνα ή αντίστοιχα θα ζεσταίνεται το καλοκαίρι οπότε τόσο περισσότερο θα πρέπει να λειτουργούν τα τεχνητά συστήματα θέρμανσης ή κλιματισμού, για να διατηρήσουν σε ανεκτά επίπεδα τη θερμική άνεση στο εσωτερικό.

Με τη μόνωση ενός τοίχου με μονωτικό υλικό εξαλείφουμε σε αποτελεσματικό βαθμό τη μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγής και ακτινοβολίας. Έτσι ο μόνος τρόπος που απομένει στη θερμότητα για να διαφύγει είναι μέσω συναγωγής μέσα από ένα λαβύρινθο μικροσκοπικών θυλάκων αέρα εντός της μόνωσης. Το φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας μέσω συναγωγής περιορίζεται μόνο μέσω σωστών εργασιών αεροστεγάνωσης.

Υπάρχουν πολλοί τύποι μόνωσης και όλοι πάνω κάτω παρέχουν παρόμοια οφέλη, επιβραδύνουν πρωτίστως τη μεταφορά της θερμότητας μέσω αγωγής και δευτερευόντως μέσω ακτινοβολίας, ενώ ταυτόχρονα προσπαθούν να μειώσουν τη μετάδοση θερμότητας μέσω συναγωγής εντός της μόνωσης.

Σημειωτέον ότι η μόνωση είναι τόσο καλή όσο η εργασία του συνεργείου τοποθέτησης. Ελαττώματα στην εγκατάσταση και κενά μειώνουν τις συνολικές επιδόσεις. Μία ενεργειακά αποδοτική κατασκευή επικεντρώνεται στην άριστη αεροστεγάνωση και στη δημιουργία

ενός συνεχούς στρώματος θερμικής αντίστασης. Η θερμομόνωση επιβραδύνει τη ροή της θερμότητας με τρεις τρόπους:

• Χρησιμοποιώντας υλικά που είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας
• Χρησιμοποιώντας υλικά που παγιδεύουν τον αέρα μέσα σε μικρά θυλάκια
• Περιορίζοντας την κυκλοφορία του αέρα μέσα στα υλικά

Τα κέρδη από τις εργασίες ενεργειακής αναβάθμισης ενός κτιρίου

Η ενεργειακή κατανάλωση (πετρέλαιο) στα συμβατικά κτίρια μπορεί να φτάσει τα 20 λ./τ.μ. τον χρόνο, γεγονός που συνεπάγεται -για μια κατοικία των 100 τ.μ.- ενεργειακή κατανάλωση ύψους 1.800 ευρώ τον χρόνο, υπολογίζοντας μια σχετικά οικονομική τιμή πετρελαίου της τάξης του 0,9 ευρώ/λ.

Αντίθετα, ένα σπίτι των ίδιων τετραγωνικών μέτρων, που κατασκευάζεται με τις αρχές της παθητικής κατασκευής, μπορεί να καταναλώνει ενέργεια που φτάνει το 1,5 λ./ τ.μ τον χρόνο, με τα κλιματολογικά δεδομένα που ισχύουν στη Γερμανία. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται για το ίδιο σπίτι των 100 τ.μ. και την ίδια τιμή πετρελαίου, μια ετήσια ενεργειακή κατανάλωση ύψους μόλις 135 ευρώ.

Σε επίπεδο παρεμβάσεων σε υπάρχοντα κτίρια υπάρχει περίπτωση κατοικίας στο κέντρο της Θεσσαλονίκης, όπου οι ενεργειακές και θερμομονωτικές παρεμβάσεις οδήγησαν σε πολύ μεγάλη μείωση του κόστους ψύξης και θέρμανσης. Συγκεκριμένα, η κατανάλωση ενέργειας μειώθηκε από 16 λ./τ.μ. τον χρόνο σε 9 λ./τ.μ. (δηλαδή το κόστος μειώθηκε από 1.440 ευρώ ετησίως σε 810).

Η απόσβεση του κόστους των παρεμβάσεων υπολογίζεται ότι γίνεται σε έναν χρονικό ορίζοντα δεκαετίας και με δεδομένο ότι δεν έχει υπάρξει κάποια υπαγωγή σε κρατικό πρόγραμμα τύπου «Εξοικονόμηση κατ’ οίκον».

Εστιάζοντας στο κούφωμα

Μέχρι τώρα μιλήσαμε γενικά για τους τρόπους μετάδοσης θερμότητας σε ένα κτίριο. Εστιάζοντας στο κούφωμα θα δούμε ότι και αυτό ως μέρος του κτιριακού κελύφους επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη συνολική θερμομονωτική συμπεριφορά.

Όπως προείπαμε οι απώλειες από τα παράθυρα δύναται να φτάσουν το 25% και σε καμία περίπτωση δεν μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες, οπότε πλην των άλλων θερμικών παρεμβάσεων κρίνεται απαραίτητη και η αλλαγή των κουφωμάτων με σύγχρονα θερμομονωτικά, για να πετύχουμε τη καλύτερη δυνατή θερμική συμπεριφορά του κτιρίου και να «πιάσει τόπο» η επένδυσή μας.

Τρόποι μετάδοσης θερμότητας μέσω του κουφώματος

Όσον αφορά στο κούφωμα θα δούμε ότι η θερμική του συμπεριφορά επηρεάζεται και από τους τρεις τρόπους μετάδοσης θερμότητας (αγωγή, συναγωγή, ακτινοβολία).

Οι απώλειες μέσω αγωγής λαμβάνουν χώρα στην κάσα, στο πλαίσιο αλλά και την υάλωση και ο περιορισμός τους γίνεται με τη χρήση ενός υψηλού θερμομονωτικού υλικού (πολυαμίδιο) που μπαίνει στο εσωτερικό των προφίλ του κουφώματος και απομονώνει την εξωτερική από την εσωτερική πλευρά. Επίσης η χρήση διπλού ή ενεργειακού υαλοπίνακα περιορίζει τις απώλειες λόγω αγωγής μέσα από την υάλωση.

Όσον αφορά στη μετάδοση θερμότητας μέσω συναγωγής, οι απώλειες λαμβάνουν χώρα στην υάλωση και μέσω των διαρροών αέρα μεταξύ της κάσας και του πλαισίου. Πρέπει να σημειωθεί ότι η αεροστεγάνωση παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στη θερμική συμπεριφορά ενός κουφώματος και πρέπει να δίνεται η δέουσα προσοχή στις επιδόσεις του συστήματος προς χρήση.

Το ίδιο ισχύει και για τον τρόπο κατασκευής και εγκατάστασης που δεν πρέπει να αφήνει απροστάτευτα σημεία από όπου θα εισέρχεται ο αέρας.

Η μετάδοση θερμότητας μέσω ακτινοβολίας επηρεάζει κυρίως την υάλωση. Η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο εσωτερικό ενός κτιρίου μέσα από τα τζάμια. Το παραπάνω είναι επιθυμητό τον χειμώνα αλλά δημιουργεί εύλογα προβλήματα το καλοκαίρι. Επίσης κατά τη χειμερινή περίοδο, θερμότητα χάνεται από το θερμότερο εσωτερικό προς το ψυχρότερο εξωτερικό περιβάλλον μέσω της υάλωσης, λόγω ακτινοβολίας. Ο έλεγχος, σε ανεκτά επίπεδα, της μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας στο κούφωμα γίνεται με τη χρήση ενεργειακών υαλοπινάκων Low-e.

Πόσο κερδίζουμε αν αλλάξουμε τα κουφώματα

Η αντικατάσταση των παλαιών κουφωμάτων με σύγχρονα θερμομονωτικά οδηγεί σε σημαντικά κέρδη τόσο σε επίπεδο χρημάτων όσο και άνεσης, ειδικά όσον αφορά στη θέρμανση. Σύμφωνα με το Case Study «Ανακαίνισης – Αντικατάστασης Παραθύρων Αλουμινίου» που παρουσιάστηκε στο πρόσφατο Συνέδριο «Αλουμίνιο & Κατασκευές», η αντικατάσταση των κουφωμάτων σε ξενοδοχείο στην Αθήνα με θερμομονωτικά κουφώματα διπλής υάλωσης (Low-e/ηλιακού ελέγχου) οδηγεί σε ραγδαία μείωση της ετήσιας κατανάλωσης για θέρμανση που δύναται να φτάσει και το 88%!

Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για ψύξη δεν είναι τόσο εντυπωσιακή αλλά δεν είναι διόλου αμελητέα, καθώς αγγίζει το 24%.

Εξίσου εντυπωσιακά είναι τα αποτελέσματα για την ίδια παρέμβαση σε ξενοδοχείο στη Θεσσαλονίκη με την ετήσια κατανάλωση να πέφτει κατά 86% και 18% για θέρμανση και ψύξη αντίστοιχα. Για τις ίδιες παρεμβάσεις σε διαμέρισμα της Θεσσαλονίκης ΒΑ προσανατολισμού καταγράφεται μία μείωση της κατανάλωσης σε ποσοστό 72% για τη θέρμανση και 44% για την ψύξη.

Είναι εμφανές ότι η αντικατάσταση των παλαιών κουφωμάτων με σύγχρονα θερμομονωτικά, είναι μία από τις σημαντικότερες παρεμβάσεις που μπορεί να γίνουν σε ένα κτίριο για να βελτιώσουμε τη ενεργειακή του απόδοση.

Πηγές

-Case Study «Ανακαίνισης – Αντικατάστασης Παραθύρων Αλουμινίου», Γ. Ηλιάδης, Δρ. Μηχ. Μ/κος, Μαρία Στεφανούλη, Πολ. Μ/κος, MSc, Χαρ. Αμανατίδης, Φοιτητής Μηχ. Μ/κος
-«How Heat Flows and How to Stop It», Justin Wilson, Construction Instruction, inc.
-«Κουφώματα αλουμινίου και ο ρόλος τους στην ενεργειακή αναβάθμιση των κατοικιών», Θεόφ. Παγιάτης, Πρόεδρος ΠΟΒΑΣ
-«Τα μυστικά των βιοκλιματικών κατασκευών», ΑΠΕ
– Περιοδικό aluminium magazine, τεύχος Δεκέμβριος 2018

Του Σωτήρη Κρουστάλλη

Αρχισυντάκτης “Aluminium Magazine”