Energiją tausojantis gyvenamųjų namų rąstų sienų terminės masės efektas. Mokslinių tyrimų apžvalga
Santrauka. Tyrimus atliko JAV Nacionalinis standartų institutas - NIST, (anksčiau NBS). Jį užsakė Gyvenamųjų namų ir miestų vystymo departamentas ir Energijos departamentas. Buvo tiriamas masyvios medienos rąstų sienų ir plytų ar blokų sienų terminės masės efektas pastatų energijos sąnaudoms. Tyrimams 1980 m. buvo pastatyti šeši 20x20 pėdų (6,2x6,2 m) ploto namai 20 mylių atstume nuo Vašingtono. Visų namų konstrukcija buvo identiška, skyrėsi tik išorinių sienų medžiaga. Pradinių bandymų metu pastatuose 28 savaites buvo palaikoma vienoda temperatūra ir buvo tiksliai registruojamos kiekvieno pastato energijos sąnaudos. Vėliau tyrimai buvo tęsiami, keičiant vidaus konstrukcijas, sumontuojant pertvaras, baldus ir kt.
Bandymo rezultatai
Per trijų savaičių pavasarinio šildymo periodą rąstinis namas sunaudojo 46% mažiau šildymo energijos už apšiltintą medinį karkasinį namą.
Per vienuolikos savaičių vasaros vėsinimo periodą rąstinis namas sunaudojo 46% mažiau šildymo energijos už apšiltintą medinį karkasinį namą.
Per keturiolikos savaičių energijos žiemos šildymo periodą rąstinis ir apšiltintas medienis karkasinis namas naudojo iš esmės vienodą šildymo energijos kiekį.
Nacionalinio standartų instituto ekspertai atlikdami tyrimus nustatė, kad rąstinio namo, pastatyto iš 7x7 colių (17,8x17,8 cm) kvadratinio skerspjūvio tašų, šilumos laidumo fakorius R buvo lygus 10 vienetų, t.y. R-10. Medinio karkasinio namo, kurio sienų tašų skerspjūvis 2x4 colių (5,08x10,16 cm) ir apšiltinto 3,5 colio (8,9 cm) storio stiklo vata, šis faktorius siekė R-12, taigi buvo 17% didesnis. Tačiau per visą 28 savaičių per tris metų laikus besitesiantį bandymo ciklą abu pastatai sunaudojo vienodą energijos kiekį. Tai leido tyrėjams padaryti išvadą, kad rąstų sienų terminės masės fenomenas yra gyvenamųjų namų energiją tausojantis veiksnys.
Terminės masės efektas kas tai?
Nuodugnūs lauko bandymai patvirtino, kad nuosaikaus klimato sąlygose sunkiasvorės gyvenamųjų namų sienų konstrukcijos (masyvių rąstų, betono blokelių ar plytų) demonstravo energiją tausojantį terminės masės efektą vasarą bei rudens ir pavasario šildymo sezono laikotarpiu. Tačiau žiemos šildymo sezone tokio efekto nebuvo.
Tyrėjų nuomone, išsamūs tyrimai turi užbaigti prieštaringus svarstymus, ar masyvių sienų pastatai naudoja mažiau energijos šildymui ir vėsinimui už lengvasvores apšiltintas sienas su tokiu pačiu šilumos laidžiu. Mokslininkai priėjo išvados, kad masyvios sienos, taip pat rąstinės demonstravo terminės masės efektą ir sutaupė ženklius energijos kiekius tiek vasaros vėsinimo, tiek ir rudens ir pavasario šildymo sezonų laikotarpiais Vašingtono (JAV) geografiniame regione.
Pagal NIST mokslininkų formuluotę masės efektas yra reiškinys, kai šilumos mainai per pastatų sienas užlaikomi (lėtinami) dėl didelio sienų masės šiluminio kaupiamojo talpumo. Todėl prie tam tikrų sąlygų šildymo ar vėsinimo energijos tiekimas palaikyti reikiamą patalpų temperatūrą gali būti užlaikomas, iki sienų šilumos mainų ir įrangos energetinio darbo sąlygos yra palankiausios. Šis šilumos užlaikymo fenomenas dar yra vadinamas termine talpine varža ar vėlavimu laike medžiagų (tokių, kaip masyvios medienos sienos) priešinimusi temperatūros pokyčio judėjimui nuo vieno sienos šono iki kito.
Kaip masė tausoja energiją
NIST tyrėjai aiškina energiją tausojantį masės efektą vasaros vėsinimo sezono metu taip: apšiltintame karkasiniame pastate, kurio masė maža, maksimalus sienų šilumos prieaugio tempas vyksta nuolat ir įranga dirba dideliu apkrovimu. Vienok, masyvių sienų pastate (tokiame, kaip rąstinis namas), šilumos mainų tempo užlaikymas reiškia, kad maksimalus sienų gaunamos šilumos prieaugio tempas persislenka į vėsų nakties periodą, kai šaldymo įranga dirba retai, arba aplamai neveikia. Tokiu būdu, mažėja vėsinimo energijos poreikis.
Atlikti bandymai parodė, kad rąstiniai pastatai buvo pranašesni už karkasinius medinius namus tarpinio šildymo sezono metu ir vasaros vėsinimo sezono metu. Žiemos šildymo sezone patikimų energijos skirtumų nebuvo. Žiemos šildymo metu masės efekto nestebėta, nes tiek apšiltintų karkasinių, tiek ir rąstinių pastatų nustatytos vidaus temperatūros palaikymui valandos bėgyje reikėjo panašių energijos kiekių.
R-rodiklio taikymas
Dauguma JAV valstijų statybiniuose kodeksuose naudoja specifines terminės varžos R vertes namų sienoms, lubų ir grindų perdangoms. R vertės šiuose kodeksuose kinta priklausomai nuo geografinės padėties ir klimatinių sąlygų. Tuo tarpu masės efektas yra reglamentuotas tik kai kurių valstijų statybiniuose kodeksuose. Be to, norint statyti rąstiniu pastatus su mažesnėmis R-faktoriaus vertėmis, reikia papildomų derinimų su vietinėmis institucijomis.
Bandymų rezultatų taikymo sritys
Kaip ir visi eksperimentai, atlikti bandymai atitiko tam tikras sąlygas, todėl rezultatai taikytini tiktai panašioms sąlygoms. Pastatuose nebuvo atitvarų, baldų, suteikiančių karkasiniams namams tam tikrą papildomą masės efektą. Pastatai visą laiką buvo uždaryti, bei jų konstrukcija buvo tokia, kad išryškintų sienoms priskirtiną masės efektą.
Nustatyta, kad gauti rezultatai ypač priklauso nuo klimatinės zonos, ir sietini su nuosaikaus klimato arealu. Tolesni bandymai su šešiais eksperimentiniais pastatais buvo skirti minėtų rezultatų taikymo ribotumų mažinimui. Buvo sumontuotos atitvarinės sienos ir langai, bei taikomos kompiuterinės programos energijos sąnaudų prognozavimui bei pritaikymui kitoms vietovėms ir klimatinėms zonoms.
Skaitytojams pateikiame atliktų eksperimentų metodikos detalesnį aprašą. Jis turėtų sudominti panašių pastatų statybų ekspertus.
Bandomųjų pastatų charakteristikos
Šeši 20x20 pėdų ploto vieno kambario bandomieji pastatai su 7,5 pėdų aukščio lubomis buvo pastatyti Merilendo valstijoje, 20 mylių nuo Vašingtono, Kolumbijos apygarda.
Konstrukcinės sienų savybės
Pastatas Nr.1. Apšiltintas karkasinis namas, nominali R-faktoriaus vertė R-12 (nevertinant masės efekto) su 16 mm išorine apkala, 5x10 cm karkasas, 9 cm storio stiklo vatos apšiltinimas, garo polietileno plėvelė, 13 mm vidinė .gipso plokštė
Pastatas Nr. 2. Neapšiltintas karkasinis namas, nominalus R-4 (nevertinant masės efekto), toks pat namas, kaip aukščiau aprašytas, tik neapšiltintas.
Pastatas Nr. 3. Apšiltintas mūrinis namas, mominalus R-14, (įskaitant sienų masės efektą), 10 cm plytos, 10 cm blokelis, 5 cm polistireno apšiltinimas, garo polietileno plėvelė, balanų apkala, gipso plokštė.
Pastatas Nr. 4. Neapšiltintas mūrinis namas, nominalus R-5 (įskaitant sienų masės efektą), 20 cm keraminis blokelis, garo izoliacija, 13 cm gipso plokštė, neapšiltintas.
Pastatas Nr. 5. Rąstinis namas, nominalus R-10 (įskaitant sienų masės efektą), 18 cm kvadratiniai medienos tašai, sujungti laiptiniu dygiu, papildomai neapšiltintas, be garo izoliacijos, be vidinės apkalos.
Pastatas Nr. 6. Apšiltintas mūrinis namas, nominalus R-12 (įskaitant sienų masės efektą), 10 cm plytos, 9 cm perlito apšiltinimas, 20 cm blokelis ir 13 mm vidinė plastikinė apkala.
Vidiniai/išoriniai paviršiai. Vidiniai paviršiai buvo nudažyti baltai. Išoriniai 1,2 ir 4 pastatų paviršiai buvo nudažyti maždaug tokia pačia spalva, kaip 3 ir 4 pastatų plytų spalva.
Langai. Keturi dvivarčiai dvigubo stiklo langai, su langinėmis, po du pietinėje ir šiaurinėje sienose. Bendras langų plotas sudarė 43, 8 kv. pėdas (4,03 m2), arba 11 % grindų ploto.
Durys. Vienerios apšiltintos metalinės durys rytinėje sienoje. Bendras durų plotas buvo 19,5 kv. pėdos (1,87 m2).
Lubų ir stogo konstrukcija. Kiekvienas pastatas turėjo šlaitinį stogą su ventiliuojama mansarda. Lubos buvo apšiltintos 28 cm storio stiklo vatos izoliacija.
Grindys. Betoninių grindų kraštai prie pamatų buvo apšiltinti 25 mm storio polistirenu
Šildymo/šaldymo įranga. Kiekvienas bandomasis pastatas buvo aprūpintas jo centre sumontuotu 4,1 kW elektriniu oro kaloriferiu su kondicionieriumi vėsinimui.
Apžvelgtos literatūros apibendrinimas
Atlikti tyrimai patvirtino ilgai diskutuotinu laikytą terminės masės efektą ir įrodė rąstinių namų energetinį efektyvumą. Nauji panašūs tyrimai, atlikti Oak Ridge Nacionalinėje bandymų laboratorijoje Albukirkėje, New Mexico, davė panašius rezultatus. Tikimasi, kad šie ir kiti eksperimentai bei kompiuterinio modeliavimo rezultatai leis įtraukti terminės masės efektą į statybinius kodeksus visoje šalyje. Rąstinių sienų energetinį efektyvumą apibendrinantys teiginiai:
1. Rąstinės sienos demonstravo vienodą, ar geresnį energetinį efektyvumą, lyginant su apšiltinta karkasinio namo siena, turinčia geresnę skaičiuotiną statinę šiluminę varžą R. Taip, rąstinė siena su statine R-9 šildymo/vėsinimo požiūriu buvo vienodai efektyvi, kaip apšiltintos karkasinės sienos su R-13 ir R-15.
2. Kokybiškai sumontuotos rąstinės sienos yra sandaresnės ir turi mažiau šalčio tiltų už medinio ar metalinio karkaso pastatus. Todėl atliekami šiluminiai skaičiavimai geriau koreliuoja su realiais bandymų rezultatais. Tai įgalina optimaliai projektuoti ir parinkti rąstinių namų šildymo įrangą.
3. Tyrimai rodo, kad rąstinių sienų konstrukcinis integralumas su jų termine mase yra vienodai efektyvus, kaip ir mūrinių sienų išorinis apšiltinimas. Rąstiniuose pastatuose stebimas jungtinis sienų konstrukcinis ir termoizoliacinis masės efekto poveikis, todėl tokia siena homogeniškesnė bei reikalauja mažesnių darbo ir žaliavų sąnaudų..
4. Mūrinė plytų ar blokelių siena turi aukštesnį šiluminį talpumą ir terminę masę už rąstines sienas. Tačiau tokių sienų šiluminis laidumas taip pat didesnis, todėl joms reikia papildomo apšiltinimo, kad atitiktų statybos kodeksų reikalavimus. Rąstiniuose pastatuose konstrukcinė medžiaga kartu yra ir termoizoliacija.
5. Didžiausias terminės masės efetyvumas stebimas, apšiltinus sienų išorę. Vidinis sienų apšiltinimas žymiai sumažina šilumos kaupimo-atidavimo efektyvumą, tuo pačiu ir bendrą energetinį naudingumą. Norint tinkamai išnaudoti masyvių sienų terminę masę ir talpumą būtina apšiltinti išorinę jų pusę, arba integruoti šiltinimą į konstrukcines medžiagas, kaip tai natūraliai gamtos surėdyta medienos rąstuose.
Parengta pagal dr. A. Baltrušaičio pateiktą medžiagą
| 
