Šildome namus, mokame sąskaitas, bet retai susimąstome, kas iš tiesų vyksta. Kur dingsta ta šiluma, už kurią sumokėjome? Kodėl vieni namai šilti su mažomis sąskaitomis, o kiti - šalti su didelėmis? Norint atsakyti į šiuos klausimus, svarbu suprasti, kaip šiluma juda patalpoje ir kaip galime kontroliuoti šį procesą.
Šilumos perdavimo būdai: laidumas, konvekcija, spinduliavimas
Trys šilumos judėjimo būdai
Šiluma juda trimis būdais: laidumu, konvekcija ir spinduliavimu.
- Laidumas - šilumos judėjimas per medžiagą. Paimkite metalinį šaukštą ir įdėkite į karštą arbatą. Po kelių sekundžių kotas įkaista. Šiluma pereina per metalą molekulė po molekulės. Skirtingos medžiagos laidžia skirtingai. Metalas - puikiai, todėl radiatoriai metaliniai. Kamuolinė vata - blogai, todėl ji naudojama šiltinimui.
- Konvekcija - šilumos pernešimas judančiu oru ar skysčiu. Šiltas oras lengvesnis, jis kyla aukštyn. Šaltas - sunkesnis, leidžiasi žemyn. Todėl patalpose šilčiausia po lubomis, šalčiausia prie grindų. Konvekcija (lot. convectio - suvežimas, sunešimas), makroskopiniai dujų, skysčio arba biralų srautai, atsirandantys dėl temperatūros, tankio ar slėgio nevienodumo. Sukelia medžiagos ir šilumos pernašą. Išorinio poveikio sukelta konvekcija vadinama priverstine, pvz., oro arba skysčio masės pernaša siurbliu. Kai Žemės traukos lauke esančioje sistemoje temperatūra nevienoda, šiltesnė medžiaga plečiasi ir iš šaltesnės (tankesnės) aplinkos patiria keliamąją jėgą, sukeliančią natūraliąją konvekciją, pvz., oro judėjimas krosnimi šildomoje patalpoje. Ši konvekcija, jei srautai erdvėje neapriboti, vadinama laisvąja. Priverstine konvekcija naudojamasi šiluminėse jėgainėse ir šilumos perdavimo įrenginiuose.
- Spinduliuotė - šilumos perdavimas bangomis, be jokios medžiagos. Saulė šildo žemę per kosmoso vakuumą. Įkaitusi krosnis šildo kambario daiktus, net jei oras tarp jų šaltas.
Šilumos nuostoliai ir šalčio tiltai
Įsivaizduokite tipišką senesnį namą. Silikatinių plytų siena - 50 centimetrų storio. Atrodo solidžiai. Plytų šiluminis laidumas - apie 0,7-0,9 W/mK. Žiemą viduje +20°C, lauke -10°C. Skirtumas - 30 laipsnių. Per vieną kvadratinį metrą sienos prarandama 45-60 vatų. Visas namas turi gal 150 kvadratų sienų. Namo sienų šiltinimas yra būtent tai - barjero sukūrimas tarp šilto vidaus ir šalto lauko. Idealus namas būtų tolygiai apgaubtas izoliacijos sluoksniu. Realybėje visada yra vietų, kur tas sluoksnis nutrūksta arba susilpnėja.
Klasikinis pavyzdys - balkonas. Gelžbetoninė plokštė eina iš vidaus į lauką. Betonas puikiai laidus šilumą. Net jei sienos apšiltintos, per balkono plokštę šiluma teka kaip per autostradą. Langų angokraščiai - kita problema. Siena apšiltinta, bet langas įstatytas į angą, kur izoliacija baigiasi. Pamatai - dažnai didžiausias šalčio tiltas. Sienos apšiltintos, bet pamatas - ne. Šiluma iš namo keliauja žemyn per sienas, pasiekia pamatą ir išeina į gruntą.
Šiltas oras gali sulaikyti daugiau drėgmės nei šaltas. Kai šiltas drėgnas vidaus oras pasiekia šaltą paviršių - langą, šaltą sieną, šalčio tiltą - jis atšąla. Atšalęs oras nebegali išlaikyti tiek drėgmės. Todėl langai rasoja žiemą. Todėl kampuose atsiranda pelėsis. Todėl šaltose vietose visada drėgna.
Šalčio tiltai dažniausiai susidaro per balkonus, langų angokraščius ir pamatus
Šilumos izoliacija
Gera izoliacija sprendžia problemą dvejopai. Pirma - vidinis sienos paviršius lieka šiltas, kondensacija nevyksta. Bloga izoliacija gali situaciją pabloginti. Jei šiltinimas padarytas netinkamai - su tarpais, be garo barjero kur reikia, su netinkamomis medžiagomis - drėgmė gali kondensuotis pačioje sienoje.
Izoliacijos efektyvumą matuoja R vertė - šiluminė varža. Skirtingos medžiagos turi skirtingą R vertę tam pačiam storiui. 10 cm putplasčio duoda maždaug R-3. 10 cm akmens vatos - panašiai. 10 cm medžio - tik R-0,9. Todėl šiltinimui naudojamos specialios medžiagos, ne tiesiog storesnės sienos. 15 cm izoliatorius duoda tokį pat efektą kaip 2 metrai betono. Lietuvos statybos normos nustato minimalius reikalavimus. Sienoms - maždaug R-5, stogams - R-6, pamatams - R-3. Šie skaičiai garantuoja minimalų energetinį efektyvumą.
Namo šiltinimas GAMO termovata
Namas - ne atskirų elementų rinkinys, o sistema. Sienos, stogas, pamatai, langai, ventiliacija - visa tai susiję. Todėl profesionalai kalba apie kompleksinę renovaciją. Tik uždarius visą kontūrą galima tikėtis maksimalaus efekto.
Šilumos laidumo koeficientai įvairioms medžiagoms
Norint efektyviai pasirinkti šiltinimo medžiagas, svarbu žinoti jų šilumos laidumo koeficientus. Žemiau pateikta lentelė su apytiksliais duomenimis:
| Medžiaga | Šilumos laidumo koeficientas (W/mK) |
|---|---|
| Silikatinės plytos | 0.7-0.9 |
| Polistireninis putplastis | 0.033 |
| Akmens vata | 0.035-0.045 |
| Mediena | 0.12-0.18 |
| Betonas | 1.0-1.7 |
Vėjo įtaka šilumos pojūčiui
Ar kada nors susimąstėte, kodėl vėjas būna šaltas? Nesvarbu, ar šiaip oro temperatūra -10, ar +20, papūtus vėjui visada atrodo šalčiau, nei jam nepučiant. Kodėl?
Šilti kūnai stengiasi atiduoti energiją šaltiems, kitaip tariant, bet kokia sistema artėja prie šiluminės (protingiau tariant, termodinaminės) pusiausvyros. O energiją šilti kūnai gali atiduoti trim būdais - šiluminiu laidumu, konvekcija ir spinduliuote.
Dabar pagalvokime apie žmogų, stovintį lauke. Įsivaizduokime, kad joks vėjas nepučia, aplinkinis oras iš esmės yra stacionarus. Žmogaus kūno paviršiaus temperatūra yra didesnė nei 30 laipsnių, taigi mūsų platumose beveik visus metus viršija oro temperatūrą. Vadinasi žmogaus kūnas konvekciškai šildo orą. Šylantis oras kyla aukštyn, o prie kūno priartėja šaltesnis oras. Bet šis judėjimas yra lėtas, taigi gana greitai aplink kūną nusistovi nedidelė zona, kurioje oro temperatūra kinta nuo kūno temperatūros iki aplinkos temperatūros - aplink žmogų susidaro „aureolė“ šiek tiek pašildyto oro.
O dabar įsivaizduokime, kad pradeda pūsti vėjas. Vėjo greitis beveik visada yra didesnis už advekcinio srauto judėjimo greitį, taigi aureolė nuo žmogaus kūno yra „nupučiama“. Nebelieka apsauginio šiluminio sluoksnio, ir oda visą laiką kontaktuoja su aplinkos temperatūros oru. Žodžiu būtent tada mes ir pajaučiam tikrąją oro temperatūrą, o ne atvirkščiai.