Η επίδραση του είδους του θερμομονωτικού της θερμοπρόσοψης στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κτιρίου

H εντατική εφαρμογή συστημάτων εξωτερικής θερμομόνωσης στον Ελλαδικό χώρο έχει ξεπεράσει την πρώτη δεκαετία, ωστόσο, παρά την απόκτηση σημαντικής εμπειρίας από τον τεχνικό κόσμο, συνεχίζει να υφίσταται ένα θεμελιώδες πρόβλημα που δεν είναι άλλο από την ορθολογική επιλογή του τύπου του θερμομονωτικού στην όψη του κτιρίου.

Έτσι στα χρόνια που πέρασαν, σημαντικός αριθμός μελετητών και κατασκευαστών, εστίασαν λανθασμένα στην επιλογή του τύπου του θερμομονωτικού της θερμοπρόσοψης μόνο με βάση το δηλωμένο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, λD. Το πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της ανορθολογικής στρατηγικής φάνηκαν ήδη από τις πυρκαγιές στο Μάτι και τη Βαρυμπόμπη (φωτογραφίες 1 & 2).

Στην προκειμένη περίπτωση μπορεί κάποιοι να επέλεξαν να τοποθετήσουν στη θερμοπρόσοψη ένα αφρώδες θερμομονωτικό, με μικρό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, προσδοκώντας ενδεχομένως σε μια χαμηλή ενεργειακή απόδοση σε βάθος ετών, παρέβλεψαν ωστόσο πως η έννοια της αειφορίας και βιωσιμότητας (sustainability) είναι μια πολύ πιο σύνθετη έννοια που δεν περιλαμβάνει μόνο τις ενεργειακές καταναλώσεις, αλλά μεταξύ πολλών άλλων και την ασφάλεια του κτιρίου.

Έτσι σε ένα δασικό περιβάλλον, η επιλογή του μονωτικού θα έπρεπε να γίνει πρωτίστως με την ικανότητα να ανταπεξέλθει σε μια πυρκαγιά, όπως για παράδειγμα προσφέρει ο άκαυστος πετροβάμβακας, και δευτερευόντως, με βάση το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του πετροβάμβακα να καθορίσουν το πάχος του υλικού για την επίτευξη και του ενεργειακού στόχου.

Η βιωσιμότητα λοιπόν είναι μια δυναμική έννοια που κάθε φορά προσδιορίζεται με βάση τον τύπο, τη χρήση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά που θέλουμε να προσδώσουμε στο υπό μελέτη κτίριο. Σήμερα, τα μονωτικά που χρησιμοποιούνται στις θερμοπροσόψεις είναι η διογκωμένη πολυστερίνη (λευκή ή γραφιτούχα), η εξηλασμένη πολυστερίνη και ο πετροβάμβακας. Ο μόνος δρόμος για έναν ορθολογικό σχεδιασμό και την επίτευξη της πολυπόθητης βιωσιμότητας είναι η κατανόηση των ιδιοτήτων και των ορίων των υλικών αυτών υπό όρους δομικής φυσικής, και η πυραντοχή είναι μόνο το ένα από αυτά. Για το σκοπό αυτό παρακάτω δίνονται απαντήσεις σε μια σειρά από κρίσιμα ερωτήματα που απασχολούν του μελετητές:

Ποια είναι η συμπεριφορά των συστημάτων θερμοπρόσοψης στο σεισμό;

Στο πλαίσιο αυτό πρόσφατα ολοκληρώθηκε ένα σημαντικό ερευνητικό έργο των τμημάτων Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ όπου εξετάζοντας 3 πιστοποιημένα συστήματα θερμοπρόσοψης τα οποία διέφεραν αποκλειστικά και μόνο στον τύπο του θερμομονωτικού υλικού, ανέδειξε την ανωτερότητα των συστημάτων θερμοπρόσοψης με εξηλασμένη πολυστερίνη λόγω της μεγάλης αντοχής σε λυγισμό προσδίδοντας μια αύξηση των μηχανικών αντοχών μιας τοιχοποιίας πλήρωσης άνω του 40%.

Η αυξημένη ικανότητα που προσφέρει ένα σύστημα θερμοπρόσοψης με εξηλασμένη πολυστερίνη έναντι της πτώσης της τοιχοποιίας, αν και είναι σημαντική για όλα τα κτήρια, παλαιά και νέα, είναι ιδιαιτέρως ευεργετική για τα παλαιότερα (της περιόδους 1950-1985) καθώς η διατήρηση της τοιχοποιίας στη θέση της έχει σημαντική συνεισφορά και στην συνολική δυσκαμψία και αντοχή του φορέα.

Πως μεταβάλετε η απόδοση των θερμομονωτικών μετά την τοποθέτηση στην θερμοπρόσοψη;

Η δηλωμένη τιμή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, λD, είναι μια εργαστηριακή μέτρηση που αναφέρεται σε στεγνό προϊόν. Όλα τα θερμομονωτικά υλικά, μετά την τοποθέτηση τους στην κατασκευή, απορροφούν κάποια υγρασία από τη συμπύκνωση των υδρατμών στο σημείο δρόσου και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνεται ο συντελεστής λD και να μειώνεται η θερμομονωτική του ικανότητα του υλικού.

Η μεταβολή αυτή δίνεται από το ΕΝ ISO 10456 που προσδιορίζει το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σχεδιασμού, λ2, λαμβάνοντας υπόψη την δηλωμένη τιμή υδατοαπορρόφησης WD(V) του παραγωγού. Αν και σε αντίθεση με άλλα κράτη, στην Ελλάδα δεν λαμβάνεται ακόμη υπόψη αυτό το πρότυπο στους υπολογισμούς του KEνAK, ωστόσο χρησιμοποιείται από πολλούς μελετητές για τον κατά το δυνατόν ορθολογικότερο υπολογισμό των παχών της μόνωσης.

Για παράδειγμα σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας 6 cm εξηλασμένης πολυστερίνη με λD=0,033 W/mK και WD(V)3% μεταβάλλεται σε λ2=0,036 W/mK και συνεπώς ισοδυναμεί με περίπου 8 cm γραφητούχας διογκωμένης πολυστερίνη με λD=0,031 W/mK και WD(V)10% καθώς μεταβάλλεται σε λ2=0,036 W/mK. Στον πετροβάμβακα αναμένεται λD≈λ2 καθώς λόγω διαπνοής όταν αποδίδουμε θερμότητα η τιμή σχεδιασμού, λ2, επανέρχεται στην ονομαστική δηλωμένη τιμή λD.

Γιατί κάποια συστήματα εξασφαλίζουν μικρότερη κατανάλωση ψυκτικών φορτίων το Καλοκαίρι;

Η θερμική προστασία είναι μια έννοια που αφορά την μετατόπιση του θερμοκρασιακού κύματος το Καλοκαίρι από το εξωτερικό περιβάλλον στο εσωτερικού του σπιτιού και σχετίζεται άμεσα με την θερμική διαχυτότητα των θερμομονωτικών.

Η ιδιότητα αυτή δηλώνει την ικανότητα των μονωτικών να άγουν θερμότητα σε σχέση με την ικανότητα να την αποθηκεύουν, γεγονός που εξαρτάται από την πυκνότητα και την ειδική θερμότητα τους.

Έτσι π.χ. επιλύοντας με προηγμένα λογισμικά μια θερμοπρόσοψη με πετροβάμβακα 90 kg/m³ ίδιας θερμοπερατότητας (0,39 W/m²K) με μια θερμοπρόσοψη με διογκωμένη πολυστερίνη 16,5 kg/m³ παρατηρούμε για την περίπτωση του πετροβάμβακα μια σημαντική υστέρηση περί των 42 λεπτών για την είσοδο του θερμοκρασιακού κύματος. Επειδή λοιπόν στην Ελλάδα δεν ανοίγουμε το κλιματιστικό μια φορά το Μάϊο για να το κλείνουμε τον Σεπτέμβριο, αλλά έχουμε διακοπτόμενη ψύξη ανά ημέρα, αυτή η καθημερινή διαφορά θέρμανσης του εσωτερικού κατά 42 λεπτά αργότερα που προσφέρει ο πετροβάμβακας είναι σημαντική στην εξοικονόμηση ψυκτικών φορτίων.

Πως επιδρούν τα θερμομονωτικά υλικά στη διαπνοή του κελύφους και τι σημαίνει αυτό σε επίπεδο κτιριακής παθολογίας;

Τα αφρώδη μονωτικά εξηλασμένης και διογκωμένης πολυστερίνης (λευκής και γραφιτούχας) με συντελεστή αντίστασης στη διάχυση υδρατμών, μ, περίπου 20-100 δίνουν αυτό που στη δομική φυσική ορίζουμε ως λειτουργική διαπνοή, δηλαδή μια περιορισμένη διαπνοή η οποία αφορά την προ στασία των ίδιων των συστημάτων θερμοπρόσοψης από αποκολλήσεις και ρηγματώσεις από τις τάσεις ατμών που αναπτύσσονται όπισθεν αυτών. Η έννοια της παθητικής διαπνοής του κτηριακού περιβλήματος υφίσταται μόνο για τον πετροβάμβακα ο οποίος έχει μ=1 και αποτελεί ένα απόλυτα διαπνέον υλικό.

Η διαπνοή των συστημάτων με πετροβάμβακα προσφέρει ταχεία αφύγρανση των δομικών στοιχείων συνεπώς: βελτίωση της θερμικής αντίστασης, αναστολή της ενανθράκωσης και γαλβανικής οξείδωσης του φέροντος οργανισμού, προφανώς ταχεία αποκατάσταση της εσωτερικής θερμικής άνεσης, ενώ αποτελεί μονόδρομος για την αποκατάσταση όψεων με προβλήματα ανερχόμενης υγρασίας καθώς τα συστήματα των αφρωδών απλά επιτείνουν το πρόβλημα.

Ποια συστήματα καταπονούνται και γερνούν γρηγορότερα από τον ήλιο;

Η έννοια της βιωσιμότητας δεν μπορεί να είναι ξεκομμένη από την διάρκεια ζωής των ίδιων των συστημάτων θερμοπρόσοψης η οποία στην Ελλάδα σχετίζεται άμεσα με την διαστατική σταθερότητα στον ηλιασμό. Τα συστήματα πετροβάμβακα υπερέχουν μακράν των αφρωδών σε διαστατική σταθερότητα για 3 λόγους: (α) Η ταχύτερη αποθήκευση ενέργειας (υψηλότερη θερμική διαχυτότητα) στη μάζα των αφρωδών οδηγεί σε μια πιο απότομη ανακυκλιζόμενη θερμική διαστολή. Το μεγαλύτερο μάλιστα πρόβλημα παρουσιάζει η γραφητούχα διογκωμένη πολυστερίνη κυρίως λόγω της ανισότροπης μεταφοράς θερμότητας που προκαλεί ο γραφίτης. (β) Η εξάτμιση του νερού συμπυκνώσεως στη μάζα των αφρωδών δεν γίνεται αβίαστα όπως στον πετροβάμβακα όπου ο συντελεστής αντίστασης στη διάχυση υδρατμών είναι μ=1, αλλά αυξάνει την εσωτερική τάση ατμών προκαλώντας διόγκωση (φαινόμενο υγρασιακής διαστολής). (γ) Η συνολική διαστολή των αφρωδών δεν είναι μόνο αποτέλεσμα της διαστολής της στερεάς μάζας τους αλλά συνέπεια και της αύξησης του όγκου των κυψελίδων ως αποτέλεσμα της αύξησης της θερμοκρασίας και της πίεσης με βάση την καταστατική εξίσωση των αερίων.

Ποια συστήματα θερμοπροσοψης προσφέρουν ηχομόνωση;

Όπως δεν έχει λογική η επιλογή ενός θερμομονωτικού με βάση το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας όταν επιθυμητή είναι και η πυροπροστασία, το ίδιο ισχύει και όταν παράλληλα με την θερμομόνωση είναι θεμιτή η βελτίωση της ηχομόνωσης.

Αναφορικά λοιπόν με την παράλληλη επίτευξη θερμομόνωσης και ηχομόνωσης, η επιλογή του τύπου του θερμομονωτικού είναι μονοσήμαντη και αφορά μόνο τον πετροβάμβακα που παρουσιάζει έναν εξαιρετικό συντελεστή ηχοαπορρόφησης αW=0,95. Ενδεικτικά σε μια μπατική τοιχοποιία αν εφαρμόσουμε ένα πάχος θερμπορόσοψης πετροβάμβακα μόλις 5 cm επιτυγχάνουμε μείωση του σταθμισμένου φαινόμενου δείκτη ηχομείωσης κατά 12 dB που αντιστοιχεί περίπου σε μία αντιληπτή μείωση του εξωτερικού θορύβου περίπου κατά 60 %.

Συμπερασματικά

Η εμπειρία που αποκτήσαμε ως κοινωνία στα συστήματα θερμοπρόσοψης διδάσκει πως η επιλογή του τύπου του θερμομονωτικού υλικού λαμβάνοντας υπόψη μόνο το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας απέχει μακράν από αυτό που ονομάζουμε βιωσιμότητα. Μια τέτοια επιλογή όχι απλά δεν υπηρετεί την έννοια της βιωσιμότητας, αλλά μπορεί να αποδειχθεί και επικίνδυνη, με πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα την πυροπροστασία, όπου μια ενεργειακή αναβάθμιση μπορεί να υποβαθμίσει την ασφάλεια του κτιρίου σε περίπτωση πυρκαγιάς.

Σήμερα ο σύγχρονος μελετητής μπορεί με ευκολία να επιτύχει τους ενεργειακούς στόχους επιλέγοντας ένα οποιοδήποτε θερμομονωτικό υλικό, ωστόσο στην επιλογή του αυτή πρέπει παράλληλα να σταθμίζει την επίτευξη κρίσιμων λειτουργικών χαρακτηριστικών όπως είναι: η σταθερότητα της ενεργειακής απόδοσης, η θερμική προστασία, η πυροπροστασία, η αντισεισμική προστασία, η ηχομόνωση, η διαπνοή, η εξάλειψη προβλημάτων κτηριακής παθολογίας, η διαστατική σταθερότητα και αντοχή στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις.

Άρθρο του Χρήστου Χατζηάστρου | Χημικός ΜSc. Χημείας Δομικών Υλικών | Δ/ντής Τεχνικής Υποστήριξης FIBRAN S.A.