Архитектурно-топлинен дисбаланс

При проектиране и ползване на топлинни процеси, поради нетрадиционните прояви на топлината, обусловени от нейната необичайна същност, възниква парадоксът на знанието, или по-точно – на незнанието. В това как ще се овладее полезността на топлинната енергия и от това как ще се съчетаят нейните загадъчни и ефектни приложения с модерна строителна конструкция се създава неизбежен вид парадокс.

В такива случаи, когато поради незнание и некомпетентност се градят сгради или инсталации, без да се познават правилата на топлинните процеси, се стига до скъпоструващи недоразумения.

Възникване на архитектурно-топлинен дисбаланс
Типичен пример за възникване на такъв парадокс е противоречието между налагана архитектурна форма на красота, която, поради неспазване на топлинните закони, се явява икономически разхищаваща. Красотата не е абсолютна категория (тя е строго индивидуално възприятие), но пък икономическата оценка е такава. От години с нарастващо предлагане и налагане се строят сгради, жилища, офиси, хотели, болници, училища, магазини с преобладаващо по площ остъкляване, дори напоследък по основни столични булеварди виждаме сгради с изцяло стъклени фасади.
Човешкото тяло е много чувствително към температурните стойности и техните динамични промени. Слабата адаптивност позволява търпимост в тесен диапазон от само няколко градуса в плюс или минус. Чувството за комфорт е още по-тясно ограничено. Допълнителните затруднения идват и от географските и климатични дадености за територията на България – ясно изразен континентален климат при нашите 43° северна ширина.

По статистически данни за периода от 1887 година досега средната годишна температура е 10,2°С, а средномесечните температури са от минус 2 до плюс 23°С. В тези силно осреднени (по месеци за 130-годишен период) данни, среднодневните температури са се променяли от минус 10 до плюс 36 градуса. За средномесечните (12 стойности за година) и часовите за всяко денонощие (също 12 стойности, заради измерванията през 2 часа) графично представени данни е характерно, че са в синусоиди със стъпка от 12 елемента. Върховите стойности на часовите отклонения при среднодневните данни са най-често с размах плюс/минус 9°С. Наблюдаваната продължителност на екстремните температурни стойности е от 4 до 6 часа, след което има спад или повишение по линията, наподобяваща синусоида. Тези сухи статистически данни са важни при изясняването на това как влияе прекаленото остъкляване върху благоразположението на хората в тези помещения.

Традиционното строителство
прилагано от векове у нас и в други с подобно географско разположение страни, отчита тези особености в климата. Дебелите и добре изолирани външни стени, със своята термоустойчивост и акумулираща способност (при даденостите за нестационарност на външните параметри) намаляват, дори елиминират като влияние върховите стойности, а това предполага и плавно поддържане на по-умерено количество на топлинния приход от системите за регулиране. Практикуваните степени на остъкляване (25-30%) разумно и икономично дават достатъчно естествена осветеност и слънчев поток в помещенията.

Първите "неразумни" пробиви в тази практика възникват преди 40-50 години в период на усилена индустриализация с огромни производствени халета. Те са с необосновано голяма височина, пълно таванно и странично остъкляване, при това с единични стъкла в метални рамки, и всичко това при производства с трисменен режим. Това архитектурно решение е в пълно противоречие с топлотехническите знания и е абсолютен парадокс, но на икономията на топлина тогава никой не държи. Тревожен е фактът, че подобни решения се случват и сега.
Чувството за комфорт и благоразположение зависи не само от температурата на въздуха, но и от температурата на околните стени и предмети. Човешкото тяло обменя топлина с тях чрез лъчист топлообмен. Дефиниращата стойност на топлинно удобство, наричана температура на усещане, се дава като средно аритметично от температурите на въздуха и температурите на всички околни повърхности. При остъклени стени, поради липсата на акумулираща маса и лошата топлоизолационна способност на остъкляването, стъклените площи бързо и точно следят хода на външните температури и силно се приближават до тях, поради което хората усещат силен дискомфорт.

Традиционните отоплителни системи в посочените по-горе халета обикновено бяха калорифери, оребрени тръбни радиатори. Затопленият от тях въздух вместо да се задържи на височината на работещите, като по-лек, конвективно се пренася близо до стъкления покрив. Така той не само че не топли работещите, но и увеличава топлинните загуби. Подобно остъкляване при дву- и трисменни режими е напълно необосновано поради изобщо несъществуваща възможност да се очаква естествено осветление в нощните часове.
И ето че сега, въпреки тези явни недостатъци, стана модно по подобни архитектурни прийоми да се строят болници, училища, дори и жилищни сгради. За едни, това са красиви архитектурни творения, даващи нов, модерен облик на градовете. Но нали сградите се строят, за да има удобство и условия за добра работоспособност на тези, които са вътре в тях. А дали това е икономически изгодно за собствениците, за държавата, която трябва да внася по-големи енергийни суровини, за екологията? Вероятно един пример би бил по-убедителен.

Пример от практиката
Да разгледаме една изцяло остъклена сграда с площ 40/20 метра, на 18 етажа, стъпка по височина 2,80 м или с обща височина 42 м над кота нула. Приемаме като икономически най-целесъобразен двоен стъклопакет с К-стъкло, за него коефициентът на топлопреминаване е 1,4 W/m2K (ползването на петкамерен стъклопакет с аргонов пълнеж дава k=1,2 W/m2K при чувствително по-висока цена). Тази примерна сграда има обща външна странична площ 5040 м2.

Според нормите и климатичните показатели (външната изчислителна температура за София е -18°С) изчислителните топлинни загуби са Q=k*F*х(tпом–tвън)=1,4*5040*(20-(-18))=268 kW. Ако тази сграда бе изпълнена като нискоенергийна с трислойна изолирана стена с дебелина 42 см (к=0,2 W/m2K), с 25% остъкляване с двуслойни стъклопакети, ниско емисионни външни стъкла и к=1,4 W/m2K, то за нея топлинните изчислителни загуби биха били: Q=0,75*5040*0,2х38 + 0,25*5040*1,4*38 = 96 kW.

При това изпълнение виждаме, че топлинните загуби са близо три пъти по-малки. А това означава не само по-малък разход на гориво, но и по-малък размер на всички елементи на отоплителни и охладителни системи, т.е. по-ниски инвестиции и по-малки експлоатационни разходи. В допълнение, стъклопакетите имат несравнимо по-лоша от плътните стени топлоустойчивост и топлинна акумулация. За да покажем (и с това да докажем) голямата разлика в акумулиращата способност на двата вида външни стени правим подробни балансови изчисления по уравненията на топлопренасяне.

Ползвани са достоверни данни за топлофизическите параметри на стъклопакета и елементите от трите пласта на плътната стена. Данните са осреднени за площ 1 м2 и неговата присъща дебелина. Началното условие е стационарно състояние при 0°С външна и при 20°С вътрешна температура, за което са определени топлинните потоци и акумулираната топлина в двата вида стени. При шоково снижение на външната температура до -10°С, ако няма увеличение на топлинния приток отвътре, стъклената стена няма никакъв топлинно акумулиран резерв (цялата акумулирана топлина в стъклопакета е равна на необходимия топлинен поток, за да има баланс).

Затова температурата на стъклената стена бързо приема ниската външна температура. Стената няма никаква термостабилност. В плътната стена има акумулирана топлина (1488 W) - количество, многократно превишаващо стационарно необходимия топлинен поток от 6 вата. Редуцираните крайни резултати са представени в таблицата.

Затова при остъклените стени не може да се очаква плавно и чувствително затихване на температурните екстремни пикове, които траят по 5-6 часа. Тази особеност допълнително натоварва системите за регулиране на температури. В остъклените помещения температурата на усещане силно ще се влияе от температурата на стъклената външна стена. Това налага допълнителен енергиен разход.

При традиционна стабилна сграда температурата на въздуха в помещенията се поддържа например 20°С. Но при нея, дори при големи студове от -18°С, изчисленията сочат, че температурата на стената ще е 18,5°С. Остъклената стена обаче при тези условия ще има температура само 9°С. В тези помещения, за да има температура на усещане от поне 20°С, ще трябва температурата на въздуха да се повиши до 23°С, а с това топлинният разход още повече ще нарасне. За целите на статистиката да добавим, че броят на отопляемите дни у нас е около 190 (по правилото три последователни дни с t ср. дневно под +12°С), с около 2500 денградуса. От това може да се прецени колко голямо е оскъпяването за отопление на остъклена сграда.

За подобна сграда проблемни ще бъдат и стотината екстремно горещи дни през летните 3-4 месеца. По цитираните по-рано статистически 130-годишни данни можем да пресметнем, че това са около 6200 часградуса. Естествено, същите особености на остъкляването ще окажат своя отрицателен икономически резултат за създаване на допустим комфорт в помещенията – по-мощни охладителни системи, чувствително по-голям разход на енергия за климатичните системи. Независимо от вида на стъклопакетите и предпазните емулсии, практически трудно се намира успешно решение за ограничаване и предпазване от слънчевото греене. И така, на практика излиза, че уклонът към този вид архитектура е много скъп. Това е и т. нар. парадокс "топлинно-архитектурен дисбаланс".

Топлината има безусловно, всеобхватно, разнородно, комплексно присъствие в нашия живот, въпреки че проявленията й понякога са трудно обясними, дори парадоксални. Всъщност няма нищо мистериозно, всичко може да бъде научно обяснено. Чрез познания може да се ограничи незнанието като аргумент против ползите от природното топлинно благо, като се направи и икономически изгодно.