Masa termiczna jako sposób na energooszczędność budynku

Dotyczy to w szczególności obiektów komercyjnych. Położenie wielkiej wagi na zmniejszenie energochłonności budynków zmusza do poszukiwania wciąż nowych, innowacyjnych rozwiązań lub każe na nowo się pochylić nad tymi wykorzystywanymi przez wieki pomysłami, które jeszcze kilka lat temu nie były specjalnie brane pod uwagę w branży. Tak jest z tzw. masą termiczną.

Masa termiczna

Właściwości termiczne materiału są funkcją jego gęstości, przewodności cieplnej i ciepła właściwego. Masa termiczna jest atrybutem materiału, który stanowi najlepsze połączenie trzech właściwości: absorbujących, przechowywania i prędkości uwalniania ciepła. Materiały z masy termicznej łatwo wchłaniają nadmiar ciepła, gdy robi się gorąco. Ciepło to może pochodzić od słońca lub ze źródeł wewnętrznych, takich jak oświetlenie, komputery czy ludzie. Masa termiczna wchłania także ciepło z otoczenia działając jak radiator. Po spadku temperatury otoczenia, masa termiczna powoli uwalnia nagromadzone ciepło do otaczającej przestrzeni. Odpowiednie materiały do budowy masy termicznej to te, które mają wysokie ciepło właściwe, wysoką gęstość i niską przewodności cieplną. Nie nadają się do tego materiały izolacyjne, które charakteryzują się wprawdzie niską przewodnością cieplną, ale ich gęstość i ciepło właściwe są zbyt niskie, aby zapewnić masę termiczną. Z drugiej strony metale mają wysokie ciepło właściwe i gęstość, ale dyskwalifikuje je wysokie przewodnictwo cieplne. Odpowiednie materiały to cegła, kamień lub beton.

Optymalne wykorzystanie masy termicznej może zmniejszyć wpływ budynku na środowisko poprzez zmniejszenie zużycia energii budynku. Szacuje się, że w zastosowanie masy termicznej może zredukować całkowity zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia o 25%. Warunkiem jest uwzględnienie użycia masy termicznej w projekcie budynku, tak by osiągnąć synergię z innymi rozwiązaniami stosowanymi w budownictwie energooszczędnym.  Masa termiczna działa na prostej zasadzie fizyki: przenosi ciepło z cieplejszej powierzchni do chłodniejszej powierzchni. Kiedy świeci słońce do pokoju, a powietrze jest ciepłe, ciepło zostanie wchłonięte przez ściany, podłogi i inne powierzchnie w pomieszczeniu. Ilość wchłoniętej energii, zależy od tego, z jakiego materiału i jak wykonane są te przegrody.

Jak to działa?

W lecie masa cieplna pochłania ciepło z pomieszczeń. W czasie upałów, temperatura masy termicznej jest niższa niż początkowa temperatura otaczającego powietrza i działa jak radiator. W wyniku pochłaniania ciepła z pomieszczenia temperatura powietrza jest w nim obniżona w ciągu dnia, w wyniku czego poprawia się komfort bez potrzeby dodatkowego chłodzenia. W nocy, ciepło jest powoli uwalniane do pomieszczenia. Wewnątrz temperatura będzie nieco wyższa niż gdyby nie zastosowano masy termicznej, jednak jest ona jeszcze w akceptowalnym przedziale rozumianym jako komfort termiczny. W zimie masa termiczna w podłodze i ścianach absorbuje ciepło promieniowania słonecznego przez okna od strony północnej, wschodniej i zachodniej. W nocy ciepło jest stopniowo uwalniane z powrotem do pomieszczeń wraz ze spadkiem temperatury powietrza. To utrzymuje komfortową temperaturę przez jakiś czas, zmniejszając potrzebę dodatkowego ogrzewania wczesnym wieczorem (patrz rysunek). Dodatkową korzyścią jest to, że masa termiczna przechowuje energię wytworzoną przez ogrzewanie pomieszczeń wewnętrznych, która także jest oddawana gdy ogrzewanie zewnętrzne jest wyłączone.

Masa termiczna w budownictwie komercyjnym.

Zastosowanie masy termicznej i jej wydajność w budynkach komercyjnych zależy zarówno od wielkości jak i przeznaczenia budynku. Naukowcy z Uniwersytetu w Toronto pod kierownictwem Dr Marka Gorgolewskiego starają się ustalić jak wielkość masy termicznej przekłada się na oszczędność energii. Wykonane na potrzeby badań modelowanie sugeruje istnienie krytycznej wartości R ścian zewnętrznych, powyżej którego dodatkowa masa termiczna jest korzystna i poniżej której dodatkowa masa termiczna powoduje dodatkowe zużycie energii zaburzając komfort cieplny. Pewne jest jedno. Masa termiczna zastosowana w budynku zgodnie z zasadami może zmniejszyć zużycie energii w porównaniu do budynków z mniejszą masę termiczną. Ogólnie rzecz biorąc, oszczędności energii będzie największa w budynkach komercyjnych, gdzie duża powierzchnia masy termicznej jest wystawiona do wnętrza.

Co z komfortem akustycznym?

Do wykorzystania jako masa termiczna najlepiej nadają się stropy – największa nieosłonięta powierzchnia we wnętrzu budynków komercyjnych. Zastosowanie masy termicznej, jak również innych środków pasywnej kontroli klimatu wnętrz wymaga otwartych sufitów co wpływa negatywnie na komfort akustyczny pomieszczeń. Zastosowanie standardowych sufitów podwieszanych nie wchodzi w grę, ponieważ uniemożliwiają one swobodny przepływ powietrza. Zastosowanie takich sufitów podwieszanych będzie miało rezultat odwrotny do zamierzonego, ponieważ prawie zawsze ograniczą one działanie masy termicznej. Efektywne rozwiązanie na problem akustyki w pomieszczeniach wykorzystujących masę termiczną proponują eksperci z firmy Rockfon. Od kilku miesięcy na rynku są dostępne jest nowe pochłaniacze przestrzenne – wyspy Eclipse i baffle Contour.

Rockfon Contour to bezramowe pochłaniacze przestrzenne (baffle) do montażu w pozycji pionowej, które zapewniają wysokie pochłanianie dźwięków i przyczyniają się do zmniejszenia czasu pogłosu w pomieszczeniach. Płyty te znajdą zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie jest potrzebne zapewnienie odpowiedniego komfortu akustycznego, a jednocześnie nie jest możliwe zastosowanie tradycyjnych sufitów podwieszanych. Baffle Contour, jako elementy swobodnie wiszące, zapewniają właściwą cyrkulację energii cieplnej, dlatego idealnie nadają się do pomieszczeń, które wykorzystują masę termiczną. Baffle są łatwe i szybkie w instalacji. Sprawdzają się w budynkach nowych jak i remontowanych.

Rockfon Eclipse to z kolei wyspy sufitowe, które nie tylko nadają pomieszczeniom niepowtarzalny wygląd, ale także kształtują warunki akustyczne i umożliwiają regulację temperatury pomieszczeń. Pojedyncze wysypy sufitowe, podwieszone pod stropem, pozwalają na swobodny przepływ powietrza zapewniając jego właściwą cyrkulację. Wymogi nowoczesnego budownictwa stawiają przed nami nowe wyzwania. Jednym z takich wyzwań dla Rockfon było zapewnienie komfortu akustycznego w pomieszczeniach budynków wykorzystujących zjawisko masy termicznej. "Baffle i wyspy Rockfon okazały się najprostszym rozwiązaniem. Nie tylko pozwalają na swobodny przepływ ciepła, ale także mogą stać się dodatkowym elementem wystroju każdego pomieszczenia" – mówi Mirosław Jucha, Dyrektor Generalny Rockfon Polska. Zastosowanie masy termicznej w budynkach komercyjnych nie jest jeszcze powszechne. Jednak coraz większa liczba badań i przykładów udanych realizacji pozwalają wierzyć, że w niedalekiej przyszłości to rozwiązanie na stałe wejdzie do kanonów energooszczędnego budownictwa.