שליטה בכמות החום במבנים – דוגמאות

שליטה בכמות החום – המרחב הפיזי

הדרך היעילה ביותר לצמצום כמות החום במבנה היא טיפול יסודי בארבעת גורמי ההשפעה שהוזכרו לעיל. תכנון סולארי פאסיבי ע"י אנשי מקצוע מוסמכים לנושא יביא לשיפור משמעותי. המהנדס התרמי יבדוק אזורים חשודים במבנה ויעמידם במבחן עפ"י כללי הפיזיקה ובראשם – חוק שימור האנרגיה.

כאמור, חוק שימור האנרגיה הוא חוק יסוד בטבע ולא נוכל לשנותו. עם זאת, שינויים בבחירת חומרי הגלם של מעטפת הבניין, מידות, מיקומים ומרחקים שונים, יאפשר לנו להעביר חלק מן החום הנכנס אל צורות אנרגיה אחרות או אל חוץ למבנה , ובכך לצמצם את כמות החום החודר את המבנה .

דוגמאות במרחב הפיזי

ניקח לדוגמא מספר חומרי גלם נפוצים למעטפת בניין ונסביר עפ"י משוואת מאזן האנרגיה:

• שימוש ביחידת קיר עשויה בטון עבה – תאפשר פינוי חום באגירה תרמית בתוך הקיר. כלומר: יותר אנרגיה פנימית -> פחות  ;
• יחידת מעטפת המורכבת מקיר מסך כפול (בניין משרדים למשל) – תאפשר פינוי חום ע"י הסעת אוויר בתוך הקיר (אפקט ארובה). כלומר: יותר עבודה -> פחות  ;
• יחידת קיר חלולה ואטומה (בלוקים או Close-Cavity Façade) – תאפשר פינוי חום ע"י הגברת הלחות היחסית של האוויר שבתור הקיר. כלומר: יותר אנרגיה פנימית -> פחות  ;
• מחיצת אלומיניום מבריק – תאפשר פינוי חום בהחזר קרינה אל הסביבה. כלומר: יותר חום יוצא   -> פחות  ;
• חומרי בידוד ואטימה יאפשרו מניעת זרימה של חום בלתי מבוקרת בין אזורים שונים. כלומר: שמירה על הפרש  גדול ככל האפשר.
• תכנון פתחים ומיקומים של מערכת הזיגוג – תאפשר שחרור לחצים סטטי ופינוי חום במסלולי זרימה מוגדרים. כלומר: יותר חום יוצא   -> פחות ;

חשוב לזכור שבחירה נכונה של חומרי הגלם היא לא הגורם היחיד המשפיע על אפקט פינוי החום. כושר הולכת החום מושפע מאוד מתכונות החומר כמו מוליכות תרמית, קיבלו חום, צפיפות, צבע ומרקם, אבל גם מתכונות נוספות כמו כמות החומר (מסה), מבנה וגיאומטריה. לעיתים, בחירה של חומרי גלם במבנה שונה תגרום לאפקט פינוי חום הפוך לחלוטין. נציין מספר דוגמאות:

• מתכות ישמשו כאמצעי מעולה לפינוי חום – כמו בצלעות של רדיאטור – אך במבנה אחר הם ישמשו כאמצעי מעולה לשמירה על חום – במו במחבת יציקה.
• בטון עשוי לשמש כחומר מעולה לבידוד – כמו ברצפת בטון יצוק – אך במבנה אחר עשוי לשמש כחומר גרוע לבידוד – כמו בתופעה של 'גשר תרמי'.
• אוויר יכול לשמש כחומר מעולה לבידוד – כמו בתוך צמר סלעים – אך בתנאים אחרים ישמש כחומר מעולה להולכת חום – כמו באוורור ע"י מפוח או רוח מצויה.

מהנדסים מנוסים בתחום התרמי מכירים את התכונות התרמיות של החומרים השונים ויוכלו להמליץ על ההרכב הנכון, במבנה הנכון, ובמקום הנכון במרחב מעטפת המבנה.

שליטה בכמות החום – ממד הזמן

אחת התכונות הנוספות המשפיעות ביותר על מעבר חום במעטפת מבנים היא התלות בזמן. כלל המרכיבים במשוואת מאזן האנרגיה משתנים את ערכן באופן תדיר כתלות במועדים השונים לאורך השנה.

תכונה חשובה נוספת היא משך הזמן. החוק השני של התרמודינמיקה קובע שכמות האנרגיה הזמינה ביקום יורדת כל הזמן (מתבזבזת). במילים אחרות, כלל התהליכים בטבע "יסתיימו" בסופו של דבר. התהליכים יהפכו לחום שיתפזר בעולם ולא יהיה ניתן לאסוף אותו מבלי להשקיע אנרגיה.

יוצא מן הכלל היא השמש שלנו כמובן. השמש, כל עוד היא ברקיע השמיים, תמשיך לפלוט אנרגיה ללא הפסקה. תהליך אין-סופי מתמשך.

נסביר את השפעות הזמן על מאזן האנרגיה בדוגמא הבאה:

העבודה המתבצעת ע"י השמש והרוח תלויה בזמן. דחיסת אוויר, הסעת אוויר, ייצור חשמל ועוד – כל אלה יופסקו בשעות שהשמש תפסיק לזרוח והרוח תפסיק לנשוב. תהליכי אלה הם גם בלתי הפיכים, לא אדיאבטיים ולא איזנטרופיים ועל כן הם סופיים. כלומר, האנרגיה שנוצרה תהפוך בשלב מסוים לחום שיתפזר בעולם.

ההפרש באנרגיה הפנימית של חומר משתנה תדיר. כמות החום שנאגר (אגירה תרמית), קצב התפלגות החום בכל מסת החומר, שינויים במבנה החומר, אידוי (ייבוש) החומר ועוד. כמו כן, תהליך שינוי האנרגיה הפנימית הוא סופי – החומר ימשיך לצבור בתוכו חום בהתאם לכושר הקיבול שלו.

כמות החום המפונה ממעטפת המבנה משתנה אף היא כתלות בזמן: זוויות החזרה (קרינת שמש) משתנות לאורך היום, מהירות וכיוון רוח משתנים, בהירות השמיים, טמפ' הסביבה, טמפ' גופים סמוכים ועוד. תהליך פינוי החום הוא סופי ותלוי בהפרש הטמפרטורות שבין החומרים השונים.

כמות החום החודרת את מעטפת המבנה משתנה כתלות בזמן: זווית הפגיעה המשתנה של השמש, מהירות הרוח, טמפ' החדר הממוזג, טמפ' גופים סמוכים ועוד. תהליך פינוי החום הוא סופי ותלוי בהפרש הטמפרטורות שבין החומרים השונים.

כמות החום הנכנסת אל מעטפת המבנה משתנה כל הזמן כתלות במיקום השמש לאורך ימות השנה, זווית הפגיעה, עננות, זיהום אוויר, יום/לילה, קיץ חורף, טמפ' הסביבה, לחות ועוד.

ראינו שכלל התהליכים בטבע תלויים בזמן, אך גם סופיים ומוגבלים בזמן. תכונות אלה מאפשרות למהנדסים התרמיים גמישות רבה בתכנון מעברי חום, הסטת עומסי חום לשעות קרות יותר, פיזור טוב יותר של החום בבית, פינוי חום מוגבר בשעות החמות, שמירה על חום בשעות הקרות ועוד.

דוגמאות במרחב הזמן

נציג מספר דוגמאות עקרוניות:

• שימוש בכמויות גדולות של בטון ואבן – יאפשרו את קירור המבנה ע"י אגירת חום במהלך היום ושחרור איטי במהלך הלילה. פתרון מעולה לקירור טבעי.
• הצללה דינאמית (עקיבה אחר מסלול השמש) – תאפשר קליטה של אור וחום בשעות הערב ופליטה של חום החוצה בשעות היום.
• מיקום חלונות במיקומים אסטרטגיים לצד חדירת קרני שמש בשעות משתנות, יאפשר הסעה טבעית של אוויר מאזור חם לאזורים קרים. התפלגות אחידה של החום בכל המבנה וללא שימוש במפוחים.
• שימוש בהצללה קבועה לצד תכנון מסלול השמש, יאפשר להגדיר את זווית ההצללה, גובה, אורך ומיקום אופטימליים, כך שבמהלך הקיץ ייכנס לחדר מקסימום אור ומינימום חום.
• שימוש בחומרים סופחים לצד הפרש הטמפרטורות בין היום ללילה, יאפשר הרטבה/ייבוש האוויר. פתרון מעולה לקירור טבעי וגם לשיפור אחוזי הלחות.

תכנון תרמי של מעטפת מבנה פועל לאיזון מירבי בין האדם ומעוזו לבין תנאי הסביבה בה הוא מצוי. תכנון אידיאלי יבטיח איזון מושלם – לא יהיה צורך כלל באמצעים חשמליים למיזוג אוויר ותאורה (!). עם תכנון תרמי סביר, המותאם לשיקולי תקציב והעדפות אדריכליות, אנחנו "רק" נחסוך כמה עשרות אחוזים מהוצאות החשמל. וכמובן – גם נתרום לסביבה בריאה וירוקה יותר…