Konstrukcja budynku a bezwładność cieplna i komfort cieplny

Konstrukcja masywna czy lekka? Izolacja cieplna czy akumulacja ciepła? Jednym z dylematów budujących dom pozostaje kwestia wyboru technologii budowy, w tym także rodzaju izolacji cieplnej. O istocie problemu może mówić proste porównanie. Z punktu widzenia fizycznego ściana zamku o grubości 3 metrów cechuje się podobnym współczynnikiem przenikania ciepła, jak współcześnie budowana ściana z pustaka ceramicznego z izolacją cieplną grubości 10 cm. Jednak zachowanie się budynków będzie całkowicie odmienne. Można więc zadawać sobie pytanie czy korzystniejsze będzie zapewnienie wysokiej akumulacyjności ciepła, czy może tylko wysokiego standardu izolacji cieplnej?
 

Cechy materiałów budowlanych

Materiały z jakich wykonano budynek decydują o jego zachowaniu pod względem cieplnym, tzn. utrzymaniu komfortu cieplnego zarówno w okresie grzewczym, jak i letnim, przy zmiennych warunkach zewnętrznych i wewnętrznych. Porównując podstawowe rodzaje materiałów budowlanych, można zauważyć istotne różnice w ich cechach fizycznych takich, jak gęstość, ciepło właściwe czy współczynnik przewodności cieplnej.

Przykładowo beton zbrojony ma około 3 razy większą gęstość od pustaka ceramicznego, co powoduje, że może akumulować znacznie więcej ciepła. Jednocześnie przewodzi ponad 6-krotnie więcej ciepła niż pustak ceramiczny. Całkowicie innymi cechami charakteryzują się materiały izolacyjne. Ciepło właściwe wełny mineralnej jest podobne jak dla ceramiki czy betonu, ale wielokrotnie mniejsza gęstość decyduje o minimalnej pojemności cieplnej. Zdecydowanie niższa jest w jej przypadku przewodność cieplna: około 10-krotnie w porównaniu do ceramiki i 60-krotnie w porównaniu do betonu zbrojonego.
Z cech materiałów budowlanych wynika wprost ich pojemność cieplna (rys.1). Określa ona ilość ciepła, jaką oddaje lub przyjmuje dany materiał przy zmianie temperatury. Przykładowo 1 m³ betonu zbrojonego dla wzrostu temperatury o 1 K potrzebuje 0,667 kW h ciepła. Tyle też ciepła może oddać przy obniżaniu się temperatury. Zmiana temperatury o 5 stopni oznacza, że moc grzewcza musiałaby wynosić ok. 3,33 kW w ciągu 1 pełnej godziny pracy. Izolacja cieplna wykazuje pod tym względem całkowicie inne cechy.

Wpływ rodzaju materiałów na bezwładność cieplną budynku

Rozpatrując pojęcie pojemności cieplnej budynku, pod uwagę bierze się nie całą objętość i masę przegrody zewnętrznej. Przyjmuje się, że masywna ściana zewnętrzna przyjmuje i oddaje ciepło na głębokości około 10 cm, licząc od wnętrza budynku. Ciepło właściwe materiału oraz jego gęstość będzie decydować, ile ciepła może być gromadzone i oddawane do pomieszczenia.
Decydujący wpływ na akumulację ciepła odgrywa także izolacja cieplna. Na przykład rzadko stosowana izolacja od strony wewnętrznej ściany powoduje, że akumulacja ciepła ma miejsce tylko od strony zewnętrznej i praktycznie nie wpływa na warunki wewnętrzne pomieszczenia.

Porównanie budynków zależnie od konstrukcji i standardu izolacji cieplnej

Dla 4 wariantów budynków porównano charakterystyczne wskaźniki oraz zmienność temperatury wewnętrznej przy wyłączeniu systemu grzewczego. Przyjęto, że temperatura zewnętrzna wynosi stale -20 ^oC, a początkowa wewnątrz budynków 21 ^oC. Szacunkowo można wnioskować, że na pokrywanie bieżących strat ciepła i wymaganą moc grzewczą systemu wpływ odgrywa standard izolacji cieplnej. Z kolei na ilość ciepła przy zmianach temperatury wewnętrznej w związku np. z jej obniżaniem nocnym wpływ odgrywa masa akumulacyjna ciepła budynku.

Budynek o ciężkiej konstrukcji – zmiana temperatury zależnie od rodzaju izolacji

Nastawa obniżonej temperatury wewnętrznej nie gwarantuje, że będzie ona faktycznie osiągana w zadanym przedziale czasu. Przykładowo nastawiona temperatura 16^oC na czas nieobecności mieszkańców w domu w godzinach 7-17 nie będzie w ogóle uzyskiwana.
W budynku o ciężkiej konstrukcji i bardzo dobrej izola cji cieplnej (C/B) temperatura nie powinna się obniżyć o więcej niż 1 stopień i to przy założeniu, że temperatura zewnętrzna wynosi stale -20^oC.
W obiektach o słabej izolacji cieplnej (budynek C/S) temperatura wewnętrzna może się obniżyć o 3 stopnie. Później będzie konieczne włączenie ogrzewania, aby zapewnić powrót do normalnej temperatury przed powrotem mieszkańców do domu.
Głębokość obniżenia temperatury wewnętrznej zależeć także powinna od mocy systemy grzewczego. Jeżeli możliwe jest osiąganie większej mocy grzewczej, to obniżka temperatury może trwać dłużej, a system grzewczy może być uruchamiany z większym opóźnieniem. Ocena zasadności ekonomicznej pracy źródła ciepła z większą mocą musi jednak uwzględniać wpływ na sprawność. Takie urządzenia, jak pompa ciepła czy kocioł kondensacyjny uzyskują wyższą efektywność przy niskiej temperaturze wody grzewczej. Niektóre regulatory elektronicznie mogą samoczynnie obliczać czas opóźnienia dla włączenia systemu grzewczego.

Budynek o lekkiej konstrukcji, zmiana temperatury zależnie od rodzaju izolacji

W budynku o lekkiej konstrukcji i bardzo dobrej izolacji cieplnej (L/B) temperatura nie powinna się obniżyć o więcej niż 2 stopnie i to przy założeniu, że temperatura zewnętrzna wynosi stale -20^oC. Przy słabej izolacji cieplnej (budynek L/S) temperatura wewnętrzna może się obniżyć nawet o 6 stopni po ok. 5 godzinach od wyłączenia systemu grzewczego. Widoczny jest wpływ mniejszej akumulacji ciepła niż w  budynku o ciężkiej konstrukcji. Temperatura wewnętrzna wyraźnie szybciej i głębiej ulega obniżeniu w budynku o lekkiej konstrukcji, szczególnie przy niskim standardzie izolacji cieplnej.

W budynkach o lekkiej konstrukcji i ze słabą izolacją cieplną (L/S) zbyt niskie obniżenie temperatury wewnętrznej może uniemożliwić jej powrót do wymaganego poziomu. Może to wymagać większej mocy grzewczej systemu grzewczego niż faktycznie on ma. W budynku lekkim z bardzo dobrą izolacją cieplną (L/B) opóźnienie włączenia systemu grzewczego może być większe. Temperatura wewnętrzna stosunkowo szybko powróci na wymagany poziom, tym bardziej przy niskiej akumulacji cieplnej konstrukcji budynku.

Jakie budynki są bardziej oszczędne?

Odpowiedź nie jest tutaj jednoznaczna. W przypadku domu o lekkiej konstrukcji zmiany temperatury wewnętrznej będą szybsze i głębsze niż w domu o konstrukcji masywnej. To może oznaczać większe oszczędności mierzone w krótkim czasie, ponieważ niższa temperatura wewnętrzna obniża straty cieplne. Z kolei w domu o ciężkiej konstrukcji można na dłużej wyłączać system grzewczy. Sezon grzewczy można rozpoczynać później, gdyż duża ilość ciepła zgromadzona w budynku, utrzymuje wystarczający poziom komfortu cieplnego. Znaczące różnice będą występować latem. Duża pojemność cieplna budynku stabilizuje warunki wewnętrzne i nie dopuszcza przez dłuższy czas do przegrzewania pomieszczeń. Pod tym względem budynki o lekkiej konstrukcji są bardziej podatne na występowanie długotrwałych okresów wysokiej temperatury w sezonie letnim.
Obniżanie potrzeb cieplnych budynku dzięki redukcji temperatury wewnętrznej, będzie zależne od konstrukcji budynku. Na przykład 12-godzinna przerwa w pracy systemu grzewczego w budynku o lekkiej konstrukcji może obniżyć potrzeby cieplne o ok. 11%.
W budynku o ciężkiej konstrukcji będzie to mniej, bo ok. 8%. Takie obliczenia wykonano w połowie lat 70. i dotyczą one ówczesnych standardów izolacji cieplnej, a więc także budynków uznawanych dzisiaj za starsze i niepoddane termomodernizacji. Nie mniej jednak widoczne jest znaczenie rodzaju konstrukcji budynku dla celowości obniżania temperatury wewnętrznej. Większy potencjał leży tu po stronie budynków o lekkiej konstrukcji.

W Austrii powstała park badawczo-rozwojowy Baumit Viva, gdzie przez 2,5 roku dokonywano pomiarów warunków wewnętrznych w 10 budynkach testowych różnej budowy. W ramach testów najwyżej oceniono komfort cieplny panujący w domach o masywnej konstrukcji z dobrą izolacją cieplną. Było to widoczne także wyraźnie w okresie letnim. Przy temperaturze zewnętrznej 36^oC, dobre warunki panowały właśnie w domu o masywnej konstrukcji z dobrą izolacją cieplna (24^oC). W budynku nieocieplonym, a także o lekkiej konstrukcji, panowały dużo mniej komfortowe warunki (29÷30^oC).