Топлинни мостове

Тенденцията за свеждане на разходите на енергия до минимум и подобряване на топлоизолационните свойства на външните ограждащи елементи на сградите се засилва със стремежа за устойчивост и енергийна ефективност. Политиките, които регулират изискванията за енергийна ефективност, се развиват и така се появяват нови методи за пестене на енергия. Намаляването на топлинните мостове или техните ефекти в съществуващи и нови сгради е от съществено значение за успешни действия в посока енергийна ефективност.

Топлинните мостове са места в сградата с по-голяма топлинна проводимост от тази на съседните повърхности. Наличието на топлинен мост в сградата води до по-голям топлопренос от по-студената до по-топлата повърхност на сградата, поради което топлинните мостове могат значително да намалят качеството на изолацията.

Трансфер и загуба на топлина в сградите
Енергийният трансфер между обектите е непосредствен резултат от молекулярна дейност. При газове и течности например преносът на енергия става при сблъскване на молекули. Както е известно, в даден обем от пространство молекулите на течностите и газовете се движат свободно и всяка от тях съдържа определено количество енергия.

Колкото по-висока е температурата на течността или газа, толкова по-високи са енергията и скоростта на молекулите. Когато те се сблъскат, се получава трансфер на енергия от молекули с по-голяма енергия към такива с по-малка. Дори да не се виждат тези малки взаимодействия, такъв трансфер на топлина се случва във всяка част от секундата, а ефектът от тези сблъсквания е енергиен трансфер и покачване на температурата.

При твърдите материали преносът на енергия се усложнява, тъй като молекулите не се движат свободно, а са разположени в рамките на фиксирана решетка. Те вибрират и активността им се усилва с повишаването на температурата. Топлинната енергия се предава чрез тези вибрации и чрез поток от свободни електрони. Потенциалът за проводимост на различните твърди материали пряко зависи от тази фиксирана решетка с молекули - колкото по-подредена е тя, толкова по-висока е топлинната проводимост.

При сградите всички тези видове енергиен трансфер спомагат за предаване на енергия между вътрешната и външната среда. Енергиен трансфер става през твърди материали като тухли, бетон и метал, както и през стенни кухини, които позволяват голямо движение на въздух като резултат от различната температура на въздуха в пространството между стените. За топлопредаването допринася и нощното излъчване на сградата.

Материалите с висока топлопроводимост предават значително повече топлина от тези с ниска и затова част от решенията за намаляване на топлинните мостове се състоят в правилния избор на материали за конструкцията на сградата. Взаимодействието между високопроводими материали усилва преноса на топлина, като при студени климатични условия той е с посока от вътрешно към външно пространство, а при топли климатични условия - от външно към вътрешно пространство.

Най-общо решенията за намаляване на топлинните мостове, свързани с материалите на сградата, са отделяне на високопроводимите материали едни от други с помощта на изолация, изборът на енергийно ефективни материали при проектирането и строежа на сградата и намаляване на площта за контакт между високопроводимите материали.

Въпреки тези общи условия, проблемът с топлинните мостове почти винаги се свежда до отделни детайли и за решението му е необходимо предприемането на специфични мерки, съответстващи на местата, на които се появяват топлинните мостове. Следването на ясните научно-технически принципи за строеж на сградата, обстойното проектиране и опитът на специалистите спомагат за намаляването на локализираните топлинни мостове и подобряването на ефективността на системата.

Сградите губят топлина поради течения (инфилтрация) и предаване на топлина към външната среда през ограждащите елементи на сградата - фасада, прозорци, покрив, подове. През последното десетилетие едно от най-популярните решения за намаляване на инфилтрацията е тестването на налягането, което гарантира максимално покриване на стандартите за херметичност на сградата.

При тестването на налягането се обръща специално внимание на свързващите компоненти и порьозните стенни конструкции. Загубите поради висока топлопроводимост на материалите при сградите също са обект на все по-строги стандарти, изискващи намаляване на U-стойностите, които отразяват ефективността на изолационния материал.

Причини за появата на топлинни мостове и диагностика
Скоростта на потока през топлинния мост зависи от множество фактори като например температурната разлика в рамките на топлинния мост, топлопроводимостта на материалите, които са в контакт с изолационния слой, напречното сечение на топлинния мост, колко лесно топлината преминава през топлинния мост, което от своя страна се влияе от площта и повърхностното съпротивление на топлинния мост.

Диагностиката на топлинните мостове се извършва с 2D и 3D компютърни модели. Това е скорошна тенденция, като допреди това анализирането на топлинния поток е било доста трудно и почти винаги изпълнено с неточности. Новите технологии за диагностика на топлинни мостове спомагат за разбирането на истинската значимост на топлинните мостове и начините за намаляването на негативните ефекти, които те причиняват.

Видове топлинни мостове
Структурните топлинни мостове, свързани с използваните в сградата материали, са най-често срещаният вид. Те се появяват при преминаването на топлопроводим елемент през изолационния слой. Типичен пример за такъв тип топлинен мост е когато анкерни болтове преминават през изолацията на сградата. Това обаче е само един от типовете структурни топлинни мостове.

Те се появяват и при различни пробиви между студената и топлата част на сградите, например при комини, инсталирането на климатици, водопроводни тръби, вентилационни въздуховоди и кабели. Структурните топлинни мостове са характерни и при различни съединявания на компоненти от сградата, при отворите за прозорци и врати в стените, както и в точки, където гредите или плочите минават през обвивката на сградата. В много случаи структурните топлинни мостове не се взимат предвид при изчисляване загубите на топлина от сградите.

Геометричните топлинни мостове се появяват, когато повърхността, която излъчва топлина, е по-малка от абсорбиращата тази топлина повърхност. Геометричните топлинни мостове се наблюдават, когато има промяна в насочеността на повърхностите, формиращи външните ограждащи елементи на сградата, или където дебелината на тези повърхности е намалена.

Сградните ъгли например са много уязвими към появата на геометрични топлинни мостове - вътрешните повърхности в ъгъла обикновено са по-студени от другите повърхности в помещението, защото поради по-голямата повърхност през тях преминава повече топлина в посока навън.
Въздушните течения в конструкцията на сградата причиняват конвективните топлинни мостове.

Терминът “конвективен топлинен мост” се използва за местата в структурата на сградата, където се появява нежелано движение на въздуха. Такива движения могат да се дължат на естествена конвекция в пропускливи зони или на пролуки в изолацията. Преминаването на въздуха от помещенията през дадена част от сградата допринася за загубата на топлина.

Освен това този въздушен поток предизвиква акумулирането на влага във външните ограждащи елементи, което от своя страна влошава свойствата на изолационния материал. Към момента обаче има малко познания за степента и ефектите на този тип топлинни мостове. В някои случаи се наблюдава допълнителна загуба на топлина на местата, където въздухът отвън прониква под изолацията на покрива на сградата. Конвективните топлинни мостове могат да бъдат намалени съществено чрез подходящо проектиране и конструиране на сградата.

Последици от топлинните мостове
Някои от негативните ефекти на ниската енергийна ефективност в сградите включват по-високи разходи за отопление и охлаждане, дискомфорт, дължащ се на студените повърхности, развиване на мухъл и свързаните с него рискове за здравето и конденз върху студените повърхности, който може да доведе до корозия на металните елементи в структурата на сградата и гниене на дървените.

Освен това се появяват видими петна по вътрешната и външната част на сградата, които се образуват в резултат на смяната на температурата и възможността за изсъхване на повърхността, а се наблюдава и понижаване на ефективността на изолацията.

Влагата в сградите се натрупва от обитаването им и ежедневните дейности, провеждани в тях, като готвене или къпане например. Друг фактор за увеличаването й в сградите е и влагата, излизаща от почвата, върху която е построена сградата. Мухъл се развива, когато влагата кондензира върху студени повърхности, като например тези при топлинните мостове.

Това може да доведе до увреждане на сградната конструкция вследствие на замръзване или корозия. Освен това ефектът на топлоизолацията се намалява значително с наличието на влага, което води до по-голяма загуба на топлина и по-големи рискове за самата конструкция на сградата. За да се избегнат тези негативни последствия, е важно да са спазени всички изисквания против кондензацията в сградата. Рисковете от появата на конденз върху повърхностите се обуславя най-вече от температурния фактор.

Мухъл може да се появи при нива на влажност от 80%. Това означава, че той се развива по повърхностите, които са толкова студени, че въздушният слой в непосредствена близост до повърхността е с влажност 80%. За да се избегне кондензация в сградите с големи топлинни мостове, е необходимо да се гарантира, че относителната влажност в дадено помещение е достатъчно ниска.

В случай че конструкцията има допълнителна вътрешна изолация, може да се наложи допълнителна вентилация, която обаче ще доведе до по-висока консумация на енергия. Последствията от кондензацията или от много високата влажност върху повърхността на части от сградата увеличават необходимостта от поддръжка на сградите, а мухълът предизвиква риск от появата на алергии и други здравословни проблеми.

Топлинните мостове могат да причинят дискомфорт заради разликите в температурата в сградите, в които се намират. Ако изолацията е с ниско качество или въобще липсва, повърхността на стените ще бъде студена през зимата и така могат да се появят студени течения. Студените течения причиняват ниска температура и на пода, което също се отразява значително върху комфорта на престояване в сградата.

Решения за намаляване на топлинните мостове и техните ефекти
Мерките за ограничаване на топлинните мостове най-често включват използването на различни видове изолация. Външната изолация е в много разновидности, монтира се с болтове или с метални профили и е с различна дебелина. Резултатите от монтирането на външна изолация върху сгради показват различни нива на топлинно съпротивление - между 2 и 2,65 m2 K/W за 100 mm изолация.

Изолацията на стенните кухини в тухлените стени на съществуващи сгради също е популярен метод за намаляване негативните ефекти на топлинните мостове. Този тип изолация се прави обикновено от минерална вата или гранулиран полистирен.

Допълнителната вътрешна изолация не променя фасадата на сградата и е сравнително лесна за поставяне. Вътрешната изолация на сградата не е изложена на климатични промени, както външната, което обуславя по-ниските разходи за изработката и поставянето й. Недостатъците на вътрешната изолация обаче са повишен риск от кондензация, намалена жилищна площ и по-ниска ефективност заради топлинните мостове от вътрешните стени и от подовете.

Повишеният риск от кондензация се дължи на по-ниската температура на повърхностите, които не са покрити от вътрешната изолация. В някои случаи е необходимо да се усили вентилацията с цел да се намали влажността на въздуха.

Друга мярка за намаляване негативните ефекти от топлинните мостове включва повишаване на херметичността на сградата. В много случаи това е трудно, защото електрическите инсталации например не се проектират като херметични. Недостатъкът на този тип решение е, че може да се създаде свръххерметичност на сградата, която да доведе до по-висока относителна влажност в помещенията.