"עֹד כָּל יְמֵי הָאָרֶץ זֶרַע וְקָצִיר וְקֹר וָחֹם וְקַיִץ וָחֹרֶף וְיוֹם וָלַיְלָה לֹא יִשְׁבֹּתוּ" (בראשית, ח', כ"ב).
חום וקור היו מאז ומעולם שותפים מלאים בכל התפתחות טכנולוגית של האדם לאורך ההיסטוריה. בין אם זה ארון תקשורת, משרד, בית פרטי, בניין, מכונה חשמלית, או אפילו טלפון חכם וקטן, כל יצירה של בני האדם דורשת פינוי חום. חום הוא לצערנו גורם הכשל הגדול ביותר בכל המערכות שאנחנו מכירים. החום פוגע מאוד בביצועים של מכונות, מקצר אורך חיים, פוגע בחקלאות, במקורות המים, ובמה לא בעצם?! 5 דקות בלי מזגן בקיץ ואנחנו כבר מאבדים את עצמנו לדעת…
פינוי חום ממבנים וממערכות הוא אתגר הנדסי מרתק ומורכב במיוחד. כמות הגורמים המרכיבים את הבעיה התרמית היא עצומה, ודורשת פתרון משוואות דיפרנציאליות מורכבות מאוד עם עשרות פרמטרים – חלקם אף לא ניתן להגדרה או לחיזוי. עם זאת, התפתחויות טכנולוגיות מהשנים האחרונות, לצד תוכנות מחשב מתקדמות ויכולת עיבוד נתונים גבוהה, מאפשרים למהנדסים של היום להתמודד בהצלחה עם סוגיות של מעבר חום שנחשבו עד לא מזמן כמדע בדיוני.
מעבר חום במעטפת מבנים בישראל
תקנות הבידוד התרמי בארץ קובעות סטנדרט גבוהה להגנה על מבנים מפני השפעות האקלים. שכבות הבידוד המותקנות במעטפת המבנה, לרבות חומרי המבנה עצמם, יספקו הגנה מעולה מפני חדירה של חום אל תוך המבנה או בריחה של חום מתוך המבנה החוצה.
ברם, בהסתכלות רחבה יותר על המבנה שלנו, מעטפת הבידוד לעולם לא תהיה אידיאלית. בכל מבנה יש מחיצות לא-מבודדות, כמו חלונות פתוחים או פתחי כניסה ויציאה, וגם מחיצות מבודדות חלקית, כמו חלונות שקופים המאפשרים חדירת אור (שבהמשך גם תתפתח לחום). במילים אחרות, לא ניתן למנוע באופן מוחלט חדירה של חום אל תוך מבנה מגורים.
וכאן בדיוק מתחילה הבעיה !
במקרים רבים של פרויקטי בינוי בישראל, מעט החום שיצליח להיכנס אל המבנה מכיוון אחד עלול דווקא "להיכלא" בתוך מעטפת הבידוד של המבנה. במצב זה עומס החום בתוך המבנה יגדל, הטמפרטורות תעלנה, ונצטרך להשקיע יותר אנרגיה במיזוג אוויר כדי לפנותו. למעשה, "חומת ההגנה" שבנינו כנגד השמש עובדת כנגדנו. לרבים מאיתנו התופעה הזו מוכרת יותר מעולם התחבורה. כל מי שנכנס אל רכבו ביום קיץ חם וודאי הרגיש בגל של חום גבוה ותחושת מחנק בתוך האוטו. לעומת זאת, מי שהשאיר את חלונות הרכב פתוחים זכה להיכנס אל סביבה נעימה יותר – מוצלת ולעיתים אף קרה יותר מטמפרטורת הסביבה.
איך זה קורה?!
הסיבה העיקרית להבדלים טמונה בתכונות מעבר החום של חומרי המעטפת השונים. כך למשל מעטפת שקופה בכיוון דרום תכניס יותר אור (גלים אלקטרומגנטיים ארוכים) אל תוך המבנה, האור יתפתח כחום על פני אבזרי הפנים של הרכב (במיוחד השחורים שבהם), הם כתגובה יפלטו קרינה באורכי גל קצרים יותר (ו"אנרגטיים" פחות) שלא יצליחו לצאת דרך החלונות השקופים וגם לא דרך מעטפת הפח – והנה קיבלנו כאן אפקט חממה בתוך האוטו שלנו. המצב בבתים ומבני ציבור הוא זהה לחלוטין.
כדי להוציא חום מתוך המבנה, ובעצם גם לשמור על הפרש טמפרטורות גבוה בין פנים הבית לבין הסביבה החיצונית, ובמיוחד למבנים מבודדים, אנחנו נצטרך להשקיע הרבה מאוד אנרגיה. פינוי החום יתבצע בד"כ בשאיבה של חום מתוך פנים הבית אל הסביבה החיצונית. תהליך שאיבת החום מוכר יותר בציבור תחת השם מיזוג אוויר. שאיבת החום תמשיך עד אשר יושג הפרש הטמפרטורות הרצוי. לדוגמא, ביום קיץ טיפוסי, נפנה חום עד אשר נגיע למצב של בתוך הבית לעומת מחוץ לבית. במילים אחרות נאמר כי אנרגיה חשמלית תושקע במערכת מיזוג האוויר כדי שזו תשאב חום מתוך הסביבה הקרה יותר אל הסביבה החמה יותר.
פינוי חום באמצעים חשמליים היא הדרך הנפוצה ביותר כיום להתמודדות עם עומסי חום – אך גם הדרך היקרה ביותר. עפ"י דו"ח של ארגון האנרגיה העולמי, 40% מצריכת האנרגיה העולמית היא למיזוג אוויר (!). תכנון סולארי פאסיבי מסייע משמעותית להקטין את הצורך במיזוג אוויר חשמלי ע"י הקטנת "אפקט החממה" המתפתח במבנה.
לפרטים נוספים ראו בקישורים הבאים:
חום – לא מה שחשבת
בניגוד לצורות אנרגיה אחרות בטבע, חום הוא בעל מאפייני התנהגות ייחודיים ולא תמיד כ"כ אינטואיטיביים. במובנים מסוימים התנהגות החום דומה להתנהגות של מים זורמים. במובנים אחרים מעבר החום מזכיר דווקא התנהגות של מעגל חשמלי, ולפעמים הוא מתנהג יותר כמו גל אלקטרו-מגנטי – כזה שלא רואים אותו ולא שומעים אותו אבל 'מרגישים' שהוא קיים.
נציין מספר תכונות אופייניות לחום:
- חום זה לא טמפרטורה, טמפרטורה זה לא חום. מבחינה תרמודינמית יש הבדל מהותי בין השניים. חימום של גוף מסוים עשוי לגרום לעלייה בטמפרטורת הגוף, לאי-שינוי בטמפרטורה, ואף לגרום במקרים מסוימים דווקא לירידה בטמפרטורה. הטמפרטורה הסופית תלויה בגורמים נוספים ולכן אין להסיק מטמפרטורת הגוף על כמות החום שיש לו.
- לכל הגופים יש חום, גם לגופים קרים. חום היא תכונה פיזיקלית כמותית. בכל רגע נתון, כל הגופים בטבע מחזיקים בכמות כלשהי של חום, ללא קשר לטמפרטורה שלהם. נציין גם ש"גוף" במובן התרמי הוא לא רק מה שנראה לעין. גם "קוביית" אוויר או "קוביית מים" נחשבת "גוף" המחזיק בכמות מסוימת של חום בכל רגע נתון. למעשה, כל מבנה שניתן להגדרה במונחים של גובה, אורך, רוחב, נפח, צבע, ומיקום ועוד נחשב "גוף".
- חום זורם באופן ספונטני ממקום גבוה למקום נמוך, לא להיפך. חוקי הפיזיקה קובעים כי חום תמיד יעבור מגוף "חם" אל גוף "קר", או ליתר דיוק: מגוף בעל טמפ' גבוהה אל גוף בעל טמפ' נמוכה. מדובר בתהליך ספונטני המתקיים בטבע באופן טבעי, ללא התערבות אדם.
- תהליך מעבר חום בין גופים יימשך עד אשר יגיעו כולם לאותה הטמפרטורה. בכל רגע נתון קיימים בסביבתנו גופים חמים וגופים קרים. הגופים החמים תמיד 'ישאפו' למסור חום אל הגופים הקרים. התהליך ייפסק רק כאשר כל הגופים יהיו באותה הטמפרטורה.
- מוליך חום הוא גוף בשיווי משקל תרמודינמי. מוליך חום הוא כל גוף במצב שבו החום הנכנס אליו אינו גורמים לשינויים פנימיים כלשהם כלומר, כל החום הנכנס אליו מכיוון אחד יוצא דרך כיוונים שונים.
- מוליך חום טוב יעביר חום ממקום אחד אל מקום אחר, רחוק יותר. מוליך חום אידיאלי יעביר את כל החום מצד אחד אל צד שני. מוליך חום גרוע יעביר את כל החום מצד אחד אל אותו הצד. מוליך חום גרוע הוא בעצם מבודד.
- חום יכול לעבור גם בקרינה אלקטרומגנטית. חום עובר במגע בין גופים שונים (הולכה), בחיכוך עם זורמים שונים כמו אוויר, מים ושמן (הסעה) או בקרינה של גלים אלקטרומגנטיים באורכים שונים (קרינה). הולכה, הסעה וקרינה הם מנגנוני מעבר החום המרכזיים בטבע.
- מנגנוני מעבר החום נבדלים ביניהם באופן מהותי. לכל מנגנון מעבר חום יש מאפייני התנהגות שונים מבחינת: קצב פינוי החום, מהירות, עוצמה, רגישות להפרעות, ועמידות בתנאי סביבה שונים (לחץ, טמפ', לחות וכו').
- גם חומרים שקופים מעבירים חום. זכוכיות שקופות, כמו אוויר, יעבירו חום בקרינה אלקטרומגנטית של גלים קצרים. זכוכיות שקופות למחצה (Low-E למשל) יעבירו חום בקרינה של גלים קצרים וארוכים. מנגנוני מעבר החום בשני המקרים הוא שונה.
- כמות החום שתעבור לכיוון מסוים תלויה בגודל ההתנגדות למעבר חום בשאר כיוונים האחרים. כל מוליך חום יעביר את כל החום לכיוון כלשהו. כיוון הזרימה של החום תלוי בהתנגדויות השונות במרחב הגיאומטרי. הכוונה להתנגדויות בהולכה, הסעה וקרינה בכל הכיוונים.
תהליך העברת החום בין השמש לקירות הבית או בין הקירות לדיירים הוא מערכת שלמה של יחסים. יחסים התלויים בכושר הבידוד / הולכה של חומרי הגלם השונים אך לא פחות חשוב מכך – מושפעים מתכונות "מצב" כמו: גיאומטריה, צבע, מרקם, מרחקים בין החומרים, זמן, ומזג האוויר.