על בידוד תרמי של קירות מבנים

מאמר מאת: שלומי רוזנברג

תאריך: מרץ 17


בידוד תרמי של בניינים

הנוחות התרמית בתוך המבנה, מחירי האנרגיה, והשמירה על הסביבה בה אנו חיים מחייבים לנקוט באמצעים כדי להפחית ככל האפשר את אובדן או קליטת האנרגיה דרך מעטפת הבניין. תקן ישראלי ת"י 1045 על חלקיו העלה את המודעות לנושא הבידוד התרמי של מעטפת הבניין זאת למרות שהדרישות בו לא גבוהות במיוחד. הדרישות שבתקן נקבעו תוך התחשבות באקלים המקומי, בנוחות האקלימית המוגדרת שבקשו להשיגה, ברצון למנוע גידול עובש בתוך המבנה והכל תוך מגמה שלא תהייה הכבדה יתירה על עלות הבנייה.

במבנה בו הבידוד התרמי לוקה בחסר עלולים להופיע ליקויים רבים ובהם:

  • קליטת אנרגיה חום בקיץ או אובדן חום בחורף דרך מעטפת הבניין – כשהמעטפת לוקה בחסר לא ניתן בהשקעה אנרגטית סבירה לשנות את טמפרטורת האוויר בדירה לרמה המאפשרת נוחות תרמית מינימאלית. בחורףב עיקר בשעות אחרי הצהרים הערב והלילה נדרש שימוש במערכות מיזוג גדולות ובזבזניות, וזאת בנוסף לצורך בביגוד כבד ופחות נוח בתוך הדירה וקבלת הרגשה של חוסר נעימות ומטרד. בקיץ עלות האנרגיה עלולה להיות גדולה מהסביר וישנו קושי רב בהשגת נוחות תרמית מינימלית לאורך שעות היום.
  • בדרך כלל הלחות בתוך דירת מגורים גבוהה מזו שבחוץ –  הלחות הפנימית עולה בשעות הערב באופן מיוחד, כאשר כל הדיירים בדירה, במטבח מבשלים, מכונת הכביסה ומיבש הכביסה פועלים, בחדר האמבט מתקלחים ועוד. כל עוד טמפרטורת האוויר הפנימי גבוהה מ- 18oC הלחות העולה אינה מורגשת על-ידי הדיירים. אבל כשהטמפרטורה יורדת מטמפרטורה זו עלול להיווצר מצב שהלחות היחסית של האוויר קרובה לרוויה ואז נוצרת אי-נעימות טורדנית ותחושה מורגשת של הלחות הגבוהה. במצב זה עלול להיגרם נזק לבריאות. בנוסף ישנה אפשרות להתפתחות עובש המהווה מטרד חזותי, פולט ריחות וגורם לפיזור נבגים בחלל האוויר. העובש מתפתח לרוב מתחת למזרונים, מאחורי ארונות, בתוך מגירות הדירה ובעיקר בחדרי השינה, במקלחות ובמטבח.
  • מפל טמפרטורה בקיר שבידודו התרמי קטן יחסית – בקיץ טמפרטורת משטחי פנים גבוהה בהרבה מזו של אוויר הפנים – כתוצאה מכך מורגשת אי נוחות מקרינת חום יתרה מן המשטחים אל גופנו. עיקר הקרינה מוקרנת מתקרת הגג שאינה מבודדת ושפניה העליונים כהים וקולטים אנרגיית שמש רבה. בחורף טמפרטורת משטחי פנים נמוכה בהרבה מזו של אוויר הפנים – כתוצאה מכך קרינת החום מגופנו אל הקיר הקר מורגשת ומתקבלת תחושת חוסר נוחות וקור.
  • בחורף, במקרים רבים טמפרטורת משטחי הפנים של קירות המעטפת נמוכה מטמפרטורת נקודת הטל של תכולת אדי המים באוויר הפנים – כתוצאה מכך מתאדים עודף האדים על-פני המשטחים הקרים. מי העיבוי אמנם נספגים ברוב המקרים בפני השטח, אך כאשר קצב העיבוי עולה על כושר הספיגה של פני השטח וכששכבת החיפוי קרובה לרוויה, נראים מי העיבוי כרטיבות מובחנת או אף כטיפות מים על פני המשטחים. תופעה זה הינה פגם וליקוי שחייבים למנועו. לתופעת העיבוי תופעות לוואי בהם גידול עובש שחור-ירוק, קילוף של שכבות צבע והתפורות שכבות טיח.
  • גם שהקירות והתקרות מטופלים כהלכה עלולות להיות נקודות תורפה בצורה של "גשרים תרמיים" – גשרים תרמיים הם שטחים בקירות המעטפת בעלי שטח קטן יחסית שבידודם לוקה בחסר. אזורים אלה פוגמים בבידוד הכולל בשל מעבר האנרגיה הגבוה דרכם וחלקם מהווה בית גידול מעולה לעובש. בגלל שהטמפרטורה הפנימית שלהם נמוכה מזו של שאר חלקי המעטפת, אדי המים נעים אליהם, וכשטמפרטורת שטחיהם יורדת מתחת לנקודת הטל ביחס לתכולת האדים נוצר עיבוי על פניהם עם כל תופעות הלוואי הנובעות ממנו.

כאמור, התקן הישראלי המפרט את הדרישות התרמיות בבניינים הוא ת"י 1045 על חלקיו. תקן זה מפרט נושאים כללים ודרישות ספציפיות מינימאליות לבידוד תרמי של בניינים לפי ייעודם. בתקן דרישות שונות עבור בנייני מגורים, מוסדות חינוך, בנייני משרדים, בתי מלון ובתי חולים. תקן 1045 הוא תקן לא רשמי, תקן רגיל, אבל חוק מכר דירות מחייב לעבוד על פי דרישותיו.

התקן כולל הגדרות שכוחן יפה בסדרת תקני 1045 ובתקנים ישראליים נוספים הדנים באנרגיה בבניינים ובבנייה הירוקה. בין הגדרות אלה חשוב להתמקד כאן במספר הגדרות:

  • מוליכות תרמית – מסומנת ב- λ זו תכונה של חומר האומדת את קצב מעבר החום העובר דרך שכבת חומר אחיד שעובייה מטר אחד, לכלהפרש של מעלה אחת בין הטמפרטורות של משטחיה החיצוניים.
  • התנגדות תרמית אופיינית – מסומנת ב- r – זו תכונה של רכיב בנייה האומדת את ההתנגדות למעבר שטף בחתך אופייני של רכיב בניין בעובי נתון ובשטח של מ"ר אחד, לכל הפרש של מעלה אחת בין הטמפרטורות של משטחו החיצוניים.
  • העברות תרמית כוללת מסומנת ב-– קצב מעבר החום ליחידת שטח אופייני של אלמנט מעטפת, שעוביו נתון, לכל מעלה הפרש בין טמפרטורת האוויר בציידו החיצון לבין טמפרטורת האוויר בציידו הפנימי.
  • גשר תרמי – אזור באלמנט בניין, שחתכו שונה מהחתך האופייני של האלמנט, ושהתנגדותו התרמית האופיינית קטנה מהנדרש בסדרת תקני 1045.

קביעת דרישות הבידוד התרמי נעשית לפי אזור האקלים שהבניין נמצא בו. חלוקת הארץ לאזורי אקלים והישובים בכל אזור מפורטים בחלק 10 של התקן. האזורים האקלימיים שבתקן נקבעו כלהלן: אזור א' – רצועת החוף; אזור ב' – משור החוף והשפלה, הנגב למעט הר הנגב, והעמקים הצפוניים; אזור ג' – אזור ההר; אזור ד' – אזור בקעת הירדן והערבה.

לצפייה במפת האזורים התרמיים לחצו כאן

ההתנגדות התרמית האופיינית המינימלית של אלמנטי המעטפת, לפי סוג האלמנט, לפי המסה של האלמנט ליחידת שטח ולפי אזור האקלים צריכה להיות כנקוב בטבלאות הדרישות שבתקני סדרת ת"י 1045.

לצפייה בפירוט הדרישות מקירות המבנה להתנגדות התרמית האופיינית לחצו כאן

ההתנגדות התרמית האופיינית של קיר שכבתי היא סכום ההתנגדויות התרמיות האופייניות  של שכבותיו. לצורך קביעת דרישה להתנגדות תרמית אופיינית בקירות חוץ שכבתיים שבהם שכבת הבידוד התרמי נמצאת בצד הפנימי, מתחשבים רק ב-50% מהמסה של השכבות שמחוץ לשכבת הבידוד של הקיר. כאשר יש מרווח אוויר לא סגור בקיר (כגון כיס גרירה או חלל לתריס) מתחשבים רק במסה ליחידת שטח של שכבות שבצד הפנימי של הקיר וההתנגדות התרמית האופיינית שלהן. הדרישות לשכבות אלה תהייה כנדרש מהקיר כולו.

רוב הנתונים המפורסמים בתחום הבידוד התרמי נכונים למצב סטטי כלומר לבדיקות במעבדה. בפועל חיינו דינמיים ותכונות הקיר משתנות בהתאם לשינויים הסביבתיים לאורך שעות היממה. בדיקת נתונים דינמיים של קירות מוכיחים שהבלוקים בעלי הבידוד התרמי של בלוקל-רביד מבודדים טוב ממתחריהם בשוק.

כאמור, הדרישות להתנהגות התרמית האופיינית של הקיר נקבעת ביחס למסתו ליחידת שטח. ככול שמסת הקיר גבוהה יותר הדרישה להתנגדות תרמית אופיינית מינימלית קטנה. הסיבה לכך היא שמסת הקיר תורמת למסה התרמית שלו. המסה התרמית מייצגת את תכונות הקיר בתנאים דינמיים אמתיים, תנאים אקלימיים משתנים. תכונה זו מציגה את יכולתו של הקיר לאגור חום או קור בתוכו אחרי שמתרחשים שינויים סביבתיים חיצוניים או אחרי שמפסיקים את מערכות מיזוג האוויר לקירור או לחימום. ככול שהמסה התרמית גבוהה יותר היא תורמת להפחתת עומסי חום וקור, מייעלת פעולת המזגן, ממתנת את שינויי הטמפרטורה הפנימית ומשפרת את הנוחות התרמית של הדיירים. היתרונות של המסה התרמית שולבו בתקינה הישראלית בתחום הבידוד התרמי, האנרגיה בבניינים והבנייה הירוקה.

ההתנגדות התרמית של הקיר נקבעת כאמור על לפי ההתנגדות של שכבותיו אבל כאן יש רגישות גדולה לשינויים סביבתיים ובעיקר ללחות שבקיר. לדוגמא, עליה בתכולת הלחות של קיר באחוז אחד יכולה להפחית את התנגדותו התרמית בכ- 4%.

תכונת ההתנגדות התרמית האופיינית מתקבלת בבדיקת מעבדה או נלקחות מטבלאות בהן סוכמו ונכתבו נתונים מעבדתיים של חומרי שכבות לסוגיהם. נתוניי מעבדה אלה מתקבלים בתנאים סטטיים, כלומר אלה נתונים תקניים אבל לא כאלה שמיצגים לאמיתה את המצב הדינמי בפועל. כאמור, שינויים סביבתיים כמו הלחות, הטמפרטורה ותנועת האוויר יכולים לגרום לשינויים גדולים יחסית בנתוני ההתנגדות התרמית.

בחקירת תכונות הקיר במצב דינמי חשוב להוסיף תכונה נוספת להתנגדות התרמית והמסה. תכונה זו מכונה קבוע הזמן התרמי של הקיר – TTC. תכונה זו שימושית בהרחבה בפיזיקה – לתיאור ההשהיה התרמית של תגובת מערכת שנמצאת תחת השפעה השתנות של הנתונים סביבתיים. תכונה זו משקפת טוב יותר את מצבו האמתי של הקיר והיא מציגה את המהירות בה הקיר מגיב לשינוי בטמפרטורה של האוויר באחד מצדדיו. לקבוע הזמן התרמי (TTC) לא נקבעו דרישות בתקינה אבל הוא משמש ככלי יעיל להבנת ההתנהגות האמתית של קיר ולהשוואה ומיון בין חתכי קיר לסוגיהם.

איך נבדוק התאמת קיר לדרישות התקינה? להלן השלבים:

  1. קבע את מיקום המבנה – מיקום אזור תרמי א', ב', ג', או ד'. לכל אזור דרישות משלו בתקינה
  2. קבע את סוג המבנה – מגורים, מוסד חינוך, משרדים, בית מלון או בית חולים. על פי סוג המבנה נקבעות הדרישות בחלק המתאים של סדרת תקני 1045.
  3. חשב את המסה המאפיינת של מ"ר אחד של הקיר כולל כל שכבותיו. המסה המחושבת תהיה במצב שירות של הקיר כלומר עם תכולת לחות תקנית במצב השרות.
  4. קבע את ההתנגדות התרמית המינימלית הנדרשת לקיר הנבדק בהתאם לשלושת המשתנים בסעיפים לעיל. הקביעה יכולה להיעשות בשימוש בטבלה שבהמשך המאמר או בשימוש בחלק המתאים של תקן ישראלי 1045.
  5. קבל מיצרני רכיבי הקיר או ממקור מקצועי אחר או חשב את ההתנגדות התרמית האופיינית של הקיר המתוכנן.
  6. בדוק שהתוצאה שקבלתה לקיר המתוכנן (סעיף ה) גבוהה מהדרישה (סעיף ד).

לידיעתך בלוקל-רביד פיתח מחשבון אינטרנטי לחישוב תכונות לקירות מבנים

התכונות שמחושבות הן:

  • תכונות תרמיות מדויקות של קירות תוך השוואתם לדרישה שבתקן
  • הערכה של התכונות אקוסטיות עבור קול נישא באוויר
  • תרומה הקירות לתכונות האנרגטיות של מבני מגורים והערכת הניקוד לבנייה ירוקה למגורים על-פי תקן 5281

מחשבון זה מספק חישוב הכולל את מבנה הקיר ותכונותיו ביחס לדרישות התקינה. את החישוב תכונות הקיר ניתן להדפיס ולהגיש לגורמים הרלוונטים.

לכניסה למחשבון לחץ כאן

איך נוכל להשוות בין קירות להם התנגדות תרמית ומסה שונים?

כאמור ניתן לבצע השוואות בין מערכות קיר שונות בעזרת תכונת קבוע הזמן התרמי שלהן. קבוע הזמן התרמי הוא מודל מתמטי לחישוב מעבר שטף החום בקיר, תחת השפעה של שינויי טמפרטורה מדורגים בצד מוגדר של הקיר ובתנאי התחלה וגבול נתונים.

קבוע הזמן התרמי הוגדר בעבר בתקינה הישראלית ככמות החום הנאגרת בחלק של אלמנט בניין ששטחו מ"ר אחד בשל גידול בן וואט אחד בהספק העובר דרכו. הוא מבטא את כושר ההתמדה של הקיר. ככל שקבוע הזמן של קיר גדול יותר, כך מתרסנות תנודות הטמפרטורה שבתוך הדירה שמקורן בשינויי טמפרטורה של אוויר החוץ או באי פעולה רציפה של מערכות חימום וקירור הבית.

כאמור אין בתקינה דרישות לערכי קבוע הזמן התרמי. חישובי קבוע הזמן התרמי מלמדים שיש לרכז מסה בעיקר ברכיבי מבנה המעטפת כדי להגדילו.

כדי להבין את תכונות הקיר במצב הדינמי הכרח לחשב את שני קבועי זמן, אחד שניתן לכנותו "קבוע זמן תרמי קדמי" שבו מתכוונים לשטף חום שנע לצדי הפנימי של החדר כשבחוץ חם יותר, והשני "קבוע זמן תרמי חיצוני" המתייחס לתנועת השטף לצד החיצוני של החדר שבפנים חם יותר. שני קבועי זמן אלה שונים כששכבות הקיר לא סימטריות, ההגדרה של שני הקבועים מתייחסת לחלוקה הלא אחידה של המסה וקיבול החום של הקיר.

חישוב קבוע זמן התרמי הוא פעולה מורכבת. כדי לפשט עבורך את המלאכה פיתחנו את המחשבון לחישוב תכונות לקירות מבנים ואנו ממליצים מאוד להשתמש בו.

התכונות התרמיות של קירות הבנויים מבלוקי בלוקל-רביד לסוגיהם מפורטות בדפי המידע של בלוקי בלוקל-רביד. למעבר לדפי המידע של הבלוקים לחץ כאן.