Використання у приватному будівництві конструкцій з природних матеріалів (дерево, глина, вапно), поза сумнівом, суттєво спрощує сам процес будівництва, здешевлює споруду та продовжує довговічність самої будівлі. Наприклад, глиняна піч - лежанка ідеально вписувалася у глиняну хату. Використання таких конструкцій жодним чином не впливало на  тривалість життя будівлі. Натомість системи водяного опалення є недосконалими, бо час від часу їх слід ремонтувати чи навіть заміняти котли  чи водяні  радіатори. Порівняно з часом життя будівельних конструкцій системи водяного опалення недовговічні та дорогі,  а існування теплових «корків» під стелею зменшує ефективність їхнього застосування. Системи повітряного опалення значно кращі та простіші, але і тут є можливості подальшої «натуралізації» їхніх конструкцій. 

Актуальність природних матеріалів та можливості їхнього використання

На основі найновіших досліджень, проведених німецькими та англійськими вченими на початку ХХІ ст., виявлено, що природні ізолятори (деревно-волоконні плити, грубі вапняно-костричні штукатурки, корок тощо) мають значну термомасу, а отже, і здатність до накопичення та утримування великої кількості тепла . Усі синтетичні матеріали характеризуються значно меншою термомасою і значної кількості тепла не накопичують. Гідно подиву і те, що природні ізоляційні матеріали дешевші від синтетичних. Наприклад, на основі очерету, відходів льону та коноплі вигідно створювати  на місцях прості безвідходні екологічні виробництва теплоізоляційних матеріалів.  Це відходи, які колись в кращому випадку спалювалися, нині у всьому світі вважаються цінною сировиною, яку слід якомога ширше застосовувати. Наприклад, у всіх європейських країнах, у тому числі і в Україні,  виведено ненаркотичні сорти коноплі, костриця якої широко використовується при будівництві недорогих екологічних будинків. Більше того, англійська технологія вапняно-конопляного будівництва нині завойовує американські та австралійський ринки.

Здатність будівельної конструкції до передачі тепла визначається її опором до проходження теплового потоку. Взимку теплові потоки направлені зсередини будинку назовні, а влітку навпаки. Що вищий опір теплопередачі, то якіснішим є теплоізолятор конструкції. Тому в наших державних будівельних нормах товщина пінопласту, яким рекомендують обшивати зовнішні стіни,  зростає з року в рік. На нашу думку, використання дорогих, шкідливих та недосконалих синтетичних матеріалів є самовбивчою практикою, так само як і винищення льонарства за часів президента Кучми.

 Які прості та недорогі технології енергозаощадження можна запропонувати нині на основі природних ізоляційних матеріалів?

Для відповіді на це запитання заглибимося у фізику процесу теплопередачі. Будівельна теплофізика одвічно вирішує дві основні проблеми: як накопичити тепло всередині будинку і як не віддати його назовні.  Відомо, що здатність до накопичення тепла мають матеріали з високою теплоємністю. Зазвичай це матеріали, питома густина яких сягає сотень кг/м³. З них слід вирізнити сиру глину, яка добре накопичує тепло та має оздоровчі та бактерицидні властивості. Наприклад, глиняні стіни чудово регулюють відносну вологість повітря в оптимальних для людини межах – 40-60%.  Зазвичай глину перемішують з  соломою, землею та піском для досягнення кращих характеристик міцності та  паро провідності стіни. Але така саманна структура не «тримає» накопичене нею тепло. Іншими недоліками є небажаний вплив вологи та низька несуча здатність стін. Отже, стіни слід утеплити паропроникними тепло ізолювальними штукатурками та підсилити дерев’яним каркасом. Тоді саманним стінам  не страшне намокання та втрати  тепла. Як каркас може бути використана система балок (фахверк), проміжки між якими заповнені теплоізоляцією (рис 1).

Процес теплопередачі у стіні із саману

 Розглянемо механізми теплопередачі у саманній стіні, покритій шаром 10 смвапняно-костричної ізоляції. Завдяки великій масі теплоізолятора процес накопичення тепла у холодний, але сонячний день відбувається наступним чином. Сонячна стіна будинку нагрівається, і через неї тепловий потік повільно рухається до середини будинку. Для пришвидшення цього процесу стіну можна пофарбувати у коричневий чи темно-синій колір, які не так інтенсивно відбивають сонячні промені. Тоді тепловий потік по мірі накопичення тепла просувається через штукатурку та саман до середини будинку. Але назустріч йому рухається тепловий потік, який виносить тепло з приміщень. Інтенсивність цього потоку залежить від  різниці температур внутрішньої та зовнішньої поверхонь стін. Тому зрозуміло, що при суттєвому прогріванні зовнішньої поверхні стіни тепловий потік, що виносить тепло з будинку, слабшає і навіть у певні моменти може стати нульовим. Другою особливістю цього процесу є повільне розгортання таких температурних  процесів у часі. Наприклад, навесні процес накопичення тепла стіною може тривати кільканадцять годин. Але стільки ж часу триває процес її охолодження, тобто впродовж доби температура стін  коливається, що змінює значення опору теплопередачі. Такі процеси є надзвичайно позитивними, бо дослідження виявили, що для вапняних ізоляційних матеріалів значення усередненого опору теплопередачі зростає у 4 рази. Зрештою, ці температурні ритмічні процеси сприймаються нами як цілком природні. Синтетичні ізолятори мають невелику термомасу і саме тому температурні коливання матеріалу стін на їхній опір теплопередачі майже не діють. Задекларовані виробниками синтетичних ізоляторів дані про значення опорів теплопередачі загалом є вірними. Синтетичні ізолятори добре тримають тепло і тільки. Вони дорожчі від природних, шкідливі та менш якісні, бо їхня низька термомаса не в змозі накопичувати тепло, щоб динамічно протидіяти холоду. 

Як збільшити кількість тепла, накопичуваного вапняними ізоляційними структурами?

Першим кроком є встановлення прозорого покриття над зачорненою тепло- ізолювальною штукатуркою. Тоді вітер не здуватиме тепла з тепло ізолятора, і процес його накопичення відбуватиметься інтенсивніше. Наступний крок є логічним продовженням  попереднього. Між скляним покриттям та теплоізолятором мають бути повітряні проміжки, які зменшують теплове випромінювання стін, тобто зачорнена ізоляційна поверхня нагрівається під склом. Тепловий потік повільно прогріває штукатурку і рухається вглиб стіни. Але якась частина теплової енергії випромінюється через скло назовні і не доходить до середини будинку . Натомість зачорнену засклену стіну можна перетворити на так званий солярний комин. Повітря проходить між засклінням та зачорненою поверхнею, нагрівається і надходить у будинок (рис.2). Отже, за невеликі гроші отримуємо найпростіший та найдешевший сонячний колектор, вартість якого не перевищує вартості скла чи полікарбонату.

Перевагами описаного підходу є суттєве утеплення будинку та можливість його опалення гарячим повітрям навіть у зимову пору. За відсутності Сонця холодне повітря не потрапляє до будинку, бо спрацьовують стінові клапани, які перекривають рух повітря всередину. 

Юрій ДУДИКЕВИЧ, к.т.н. 

Рисунки

Рис. 1.  Стінова ізоляція між дерев’яними балками 

Рис. 2.  Переріз солярного комина