Prirodna Gradnja – Kontrola Temperature

Slede isečci iz naše knjige Život u Prirodi.

Glavna funkcija kuće je da, pre svega, obezbedi komfornu temperaturu za ugodan ljudski boravak. U zavisnosti od toga da li sedimo ili se krećemo, temperatura vazduha u prostoriji između 18°C i 24°C se smatra idealnom za ljudsko telo. Najniža temperatura do sada zabeležena na našem imanju je bila -17°C u januaru 2017., a najviša temperatura već šest meseci kasnije, kada smo u julu 2017. zabeležili čak 41°C u hladu. Život u našem bioregionu zahteva da se ozbiljno pozabavimo kontrolom temperature kako bi naše kuće bile komforne za ljudski boravak tokom cele godine.

Sistemi za hlađenje (poput klima uređaja) se u potpunosti mogu izbeći pravilnim planiranjem objekta, jer blagom manipulacijom osnovnih zakona prirode možemo postići komfornu temperaturu čak i leti. Sa druge strane, korišćenje sistema za grejanje tokom najhladnijih zimskih dana je neizbežno. Iako se ne mogu potpuno izbaciti, naš cilj je da energiju koju ovi sistemi proizvode zadržimo što duže unutar objekta i da na taj način znatno smanjimo njihovu upotrebu. Održavanje toplote u domu podrazumeva sinergiju tri tehnike:

• Pasivno grejanje – upošljavanje sunčevih zraka za grejanje unutrašnjih prostorija;
• Aktivno grejanje – loženje goriva tokom dana kada sunce zađe iza oblaka;
• Održavanje temperature – usporavanje izjednačavanja unutrašnje temperature sa spoljašnjom, tako što oko prostorije postavljamo termoizolacionu opnu.

Da bismo efikasno iskoristili sve tri navedene tehnike, najpre ćemo pogledati osnovne zakone fizike po kojima razmena toplote funkcioniše.

Principi grejanja i hlađenja

Postoje tri načina na koji se temperatura prenosi sa jednog materijala na drugi:

• Kondukcija – direktan dodir dva objekta dovodi do prenosa temperature između njih. Dodirivanjem zagrejanog radijatora, kamena ili vode rukom, na sebe prenosimo toplotu ovih materijala;
• Konvekcija – kretanje zagrejanih molekula naviše u gasu ili tečnosti. Topao vazduh u prostoriji uvek ide na gore, isto kao i topla voda u šerpi;
• Radijacija – toplotno zračenje od izvora toplote koji su nam u vidnom polju. Osećaj topline koju nam pruža vatra ili sunce na distanci, nezavisno od dodira i strujanja vazduha.

Zbog svoje težnje ka lakoj promeni oblika, voda igra bitnu ulogu u kontroli temperature:

• Vlažnost vazduha – topao vazduh ima veći kapacitet zadržavanja vlage od hladnog vazduha. Vazduh temperature 38^oC može da primi 10 puta veću zapreminu vlage nego vazduh temperature 0^oC;
• Isparavanje – Kada se voda zagreva, ona prelazi iz tečnog u gasovito stanje i postaje deo vazduha oko sebe. Materijal iz koga je voda isparila (zemlja, šerpa, koža) se na taj način hladi, jer ga je toplotna energija napustila u vidu vodene pare. Primer: isparavanje znoja sa ljudske kože;
• Kondenzacija – Vlažan topao vazduh u dodiru sa hladnim materijalom se hladi, molekuli vode napuštaju vazduh i u tečnom stanju se skupljaju na hladnijem materijalu. Primer: pojava kapljica vode na hladnom staklu prozora ili flaši tek izvađenoj iz frižidera.

Iako ovi principi deluju apstraktno na prvi pogled, razmišljajte o njima kada sledeći put posmatrate međusobno dejstvo vode i toplote, i počećete da uviđate načine kako ih je moguće iskoristiti. Kao primer, pogledajmo način na koji ventilator „hladi“.

1. Prilikom zagrevanja, telo, znojeći se, oslobađa vodu koja ostaje na površini kože. Isparavanjem te vode, telo se hladi.
2. Kako voda (znoj) sa nas isparava, tako vazduh u neposrednom dodiru sa kožom postaje vlažniji jer upija vlagu sa našeg tela. Kada vazduh oko naše kože dostigne tačku zasićenja vodom, on nije u stanju da primi više vlage.
3. Ukoliko ne postoji dovoljna cirkulacija vazduha u prostoru ili se ne krećemo, sve se više znojimo, postajemo okupani znojem ali nam je i dalje vrućina jer znoj nema gde da ispari (kapacitet primanja vlage okolnog vazduha je potpuno iskorišćen).
4. U tom trenutku uključujemo ventilator koji odnosi vlažan vazduh iz okoline naše kože, dovodi suvlji vazduh i na taj način nastavlja ciklus isparavanja.

To znači da ventilator ne hladi prostor, već naše telo. Da bi telo nastavilo da se hladi, moramo konzumirati dovoljno vode i soli kako bismo nadoknadili gubitke nastale znojenjem.

Pasivna kuća

Praktično svo gorivo koje danas koristimo za grejanje u sebi sadrži energiju koja direktno potiče od Sunca. Drvo relativno brzo pretvara sunčeve zrake u organsku materiju putem fotosinteze. Za deset do trideset godina drvo naraste dovoljno da mu poželimo dobrodošlicu u naš šporet. Isto tako, fosilna goriva poput uglja i nafte su proizvod interakcije živih bića i sunčevih zraka od pre nekoliko stotina miliona godina.

Pored toga, sunčevu energiju možemo iskoristi i odmah, ne čekajući da je hemijski procesi pretvore u zapaljiv oblik. Da bismo u tome uspeli kada nam je sunčeva energija najpotrebnija, bitno je imati otvoren pogled ka niskom zimskom suncu na južnoj strani. U tome nas mogu sprečiti brda, visoko rastinje, zimzeleno drveće i objekti izgrađeni sa južne strane kuće. Zato su južna orijentacija i nagib imanja idealni za pasivno grejanje sunčevim zracima. Severni pad, pogotovo većeg nagiba, ne odgovara pasivnom grejanju objekata.

Kada razmišljamo o postavljanju prozora kroz koje ćemo u kuću propuštati sunčeve zrake, treba uzeti u obzir da je najhladniji period dana rano jutro, a najtopliji popodne. Orijentacija ka jugoistoku ubrzava jutarnje zagrevanje unutar kuće. Orijentacija ka jugozapadu omogućava toplije noći, ali podrazumeva i hladnija jutra. Sve to treba uzeti u obzir kada se razmatra funkcija objekta. Mi smo kuću orijentisali direktno ka jugu radi ravnomernog prikupljanja toplote tokom čitavog dana. Kada bismo gradili radionicu, verovatno bi orijentacija bila prema jugoistoku, za toplije jutarnje radove.

Pošto smo učinili sve da sunčevim zracima omogućimo ulazak u prostoriju, treba se potruditi da toplotna energija tu i ostane. Materijali tamne boje i mat materijali dobro zadržavaju energiju sunčevog zračenja. Materijali koji se presijavaju i materijali svetlijih boja odbijaju (reflektuju) sunčeve zrake. Pod izrađen od tamno obojene termalne mase idealno upija toplotu sunčevih zraka. Po zalasku Sunca, tokom noći, termalni pod polako otpušta tu toplotu unutar kuće. U nastavku ovog poglavlja ćemo detaljnije govoriti o termalnoj masi.

Iako postoje proračuni za površinu prozora koja je potrebna za propuštanje dovoljne količine sunčevog svetla, smatram da je to relativno. Mi smo se odlučili za maksimalnu pokrivenost i zato je naš južni zid skoro ceo u staklu. Sunčeve zrake ćemo lako zaustaviti venecijanerima i drugim preprekama, ali nam je svaki zrak svetlosti od koristi nakon ledene zimske noći. Tokom noći i tokom oblačnih dana, pasivno grejanje ne funkcioniše. Prozori koji su omogućili sunčevim zracima da uđu će tada toploti omogućiti da izađe. Staklo je izuzetno loš termoizolator, čak i kod dvoslojnih i troslojnih prozora. Zato je neophodno navući termoizolacione zavese kako bismo sprečili odlazak toplote kroz staklo u vreme kada sunce ne sija.

Koliko god sunčevi zraci bili poželjni tokom hladnih zimskih dana, toliko treba sprečiti njihov ulazak tokom leta. To se može lako postići sadnjom „automatskih“ elemenata za sezonsko senčenje – listopadnih puzavica. Pored toga, pažljivom igrom sa uglovima sunca tokom projektovanja možemo u potpunosti sprečiti padanje sunčevih zraka na prozore tokom leta. Visokom letnjem suncu moguće je stati na put jednostavnom produženom strehom.

Na slici je termizolacija postavljena oko prostorije čime je stvoren hladan tavan, ali se ona može postaviti i neposredno ispod krova. Produžena streha ne dozvoljava sunčevoj svetlosti u mesecima oko dugodnevnice da uđe u kuću.

Topao vazduh koji se nakupi unutar kuće tokom vrelih letnjih dana putem konvekcije stiže do vrha prostorije i dospeva do prozora ili ventilacionog otvora kroz koji izlazi u spoljašnji prostor. Hladniji vazduh ulazi kroz prozore postavljene na severnom zidu, koji je uvek u hladu. Ukoliko prozore ostavimo otvorene tokom noći, cirkulacija vazduha hladi termalnu masu unutar kuće, koja potom održava kuću prijatnijom tokom vrelih letnjih dana.

Aktivno grejanje

Kada zimi zaređa nekoliko dana ili nedelja bez sunca, u kombinaciji sa temperaturom vazduha ispod nule, loženje je neminovno. Još tokom rane faze projektovanja kuće, sa sigurnošću smo znali da će u centru našeg doma biti raketna peć. To je relativno nova interpretacija starih peći koja funkcioniše po principu intenzivnog ali kratkog loženja, čime se greje termalna masa (uglavnom zemlja ili opeka) oko dimovodnih cevi. Iako se vatra brzo ugasi, termalna masa ostaje topla dugo u noć (vrlo često i narednog dana) i putem kondukcije greje ljude koji dođu u dodir sa njom. To znači da, ako želimo da iskoristimo toplotu koju ona pruža, moramo biti u čestom dodiru sa termalnom masom ove peći – sedenjem ili ležanjem na njoj.

Nakon čitanja nekoliko knjiga i gledanja opširnog dokumentarnog filma na tu temu, naša vera u raketnu peć je znatno opala. Iako pruža izuzetnu efikasnost u grejanju ljudi, ona baš i ne nudi velike mogućnosti za grejanje vode i spremanje hrane. Uspešno dodavanje ovih funkcija raketnoj peći iziskuje mnogo eksperimentisanja, a do sada nismo videli uspešan primer. Prototipi na koje smo naišli nisu nam ulivali pouzdanje i smatrali smo da ovo nije stavka sa kojom treba eksperimentisati, te smo ovaj element ostavili za neki budući objekat. Za one koje zanima pravljenje ovakvih peći, preporučujem knjige Rocket Mass Heaters (Ianto Evans) i The Rocket Mass Heater Builder’s Guide (Erica & Ernie Wisner) i potragu za aktivnom grupom ljudi koji se bave izradom ovakvih peći i kod nas.

Opredelili smo se da u dom smestimo klasičan šporet na drva, popularno poznat kao Smederevac. Tokom zime ga koristimo za grejanje dok kao sporednu korist imamo vrelu površinu za grejanje vode i hrane, a i zagrejanu rernu uvek spremnu da primi novu turu pita, jabuka ili bundeva. Za ovih nekoliko godina još nismo uspeli da potrošimo više od 2 m³ drva tokom jedne grejne sezone. O spremanju drva za loženje će više reči biti u Poglavlju 11.3.

Jedno ide sa drugim: gde se kuva, tu se i greje. Koliko god to bilo korisno zimi, toliko je nepoželjno leti; zato naš šporet spava tokom letnjih meseci i ostavlja nas bez rerne, koju nameravamo da jednog dana postavimo napolju, u letnjoj kuhinji. Hranu najčešće spremamo na plinskom rešou, uz povremeni kotlić ili roštilj kada se okupi veće društvo.

Održavanje temperature

Kada u domu postignemo odgovarajuću temperaturu, potrudićemo se da je održimo koristeći dve tehnike:

• Čuvanjem željene temperature unutar objekta u vidu termalne mase ublažavamo brzinu njene promene;
• Korišćenjem termoizolacije, usporavamo uticaj temperature u spoljašnjem prostoru na unutrašnjost objekta.

Termalna Masa 

Kada govorimo o materijalima koji dugo zadržavaju svoju temperaturu, najpre nam padaju na pamet guste i teške mase kao što su kamen, beton, cigla i zemlja. Ovi materijali se sporije greju i hlade i na taj način održavaju stabilniju temperaturu prostorije u kojoj se nalaze. Glomazan kamen ugrejan Suncem tokom dana ostaje topao dugo u noć i polako vraća temperaturu u svoju okolinu putem radijacije. Isti princip leži i iza razloga zašto betonski gradovi imaju toplije noći, a pogotovo leti nakon dugih sunčanih dana. Isti efekat imaju i velike površine vode kao što su jezera i mora. Tokom hladnih zima, ogromna količina vode polako otpušta svoju toplotu i na taj način ublažava zimski efekat na svoju okolinu.

U kontekstu energetski efikasne gradnje, termalna masa se klasifikuje po zapreminskom toplotnom kapacitetu koji se izražava formulom MJ/m³K. Materijali sa višim vrednostima bolje odgovaraju kao termalna masa, jer je za postizanje istog efekta zadržavanja toplote potrebna manja količina (zapremina) materijala.

Veće vrednosti ukazuju da materijal sporije menja temperaturu i bolje odgovara funkciji termalne mase u gradnji.

Na slici 9.11 možemo videti da zapremina kamena koja nam je potrebna za postizanje istog toplotnog kapaciteta dvostruko nadmašuje potrebnu zapreminu vode. Uprkos tome, nema potrebe cediti i poslednju kap efikasnosti iz svakog elementa, posebno ako to nije praktično, kao što je slučaj sa držanjem velike količine vode u kući. Zato kamen, beton, zemlja i cigla sasvim prikladno vrše funkciju termalne mase unutar objekta. Najčešće se koriste kao zidne ili podne obloge, i na taj način termalnom masom pokrivaju veliku površinu. U našem domu, termalnu masu smo uklopili sa sledećim elementima:

• Zidovi – zemljani malter na zidovima debljine oko 5 cm;
• Pod – betonska ploča debljine 18 cm i završni zemljani sloj od 4 cm;
• Tuš kabina – zidana opekom i postavljena odmah pored šporeta.

Prosto rečeno, termalnu masu zimi grejemo (pasivno ili aktivno) tokom dana, kako bi masa potom polako otpuštala toplotu tokom noći. Leti radimo obrnuto. Prozore držimo otvorene tokom noći, dozvoljavajući svežem noćnom vazduhu da rashladi termalnu masu unutar našeg doma, koja se onda sporo greje tokom dana i održava nižu temperaturu u unutrašnjosti kuće tokom vrelih letnjih dana.

Termoizolacija

Termoizolacioni materijali imaju svojstvo da usporavaju prenos toplote između dve materije. Kod održavanja temperature, naš cilj je da umanjimo i usporimo uticaj spoljašnje temperature vazduha na vazduh unutar objekta. Potpuno termoizolovanu prostoriju nije moguće napraviti, jer temperatura teži da se vremenom ujednači. Najbolje što možemo uraditi jeste da taj efekat znatno usporimo, koristeći materijale koji imaju najniži koeficijent toplotne propustljivosti u svim elementima gradnje. Ovaj koeficijent se obeležava sa λ (lambda) i izražava formulom W/mK. Niže vrednosti označavaju materijale koji imaju manju toplotnu provodljivost i time bolje odgovaraju ulozi termoizolatora. Odmah se može uočiti da su najbolji termoizolatori lagani materijali koji u sebi sadrže veliki broj malih vazdušnih komora.

Materijali sa nižim vrednostima su bolji termoizolatori.

Koristeći ovu tabelu, možemo direktno uporediti efikasnost različitih materijala. Ako koristimo stiropor kao zlatni standard termoizolacije, možemo videti da bi borova daska debljine 3,25 cm vršila istu funkciju kao 1 cm stiropora (0,13 ÷ 0,04 = 3,25). Isto tako vidimo da je stiropor 50% efikasniji termoizolator od balirane slame (0,06 ÷ 0,04 = 1,5). Debljina naših zidova od slame je 45 cm, što u praksi daje isti efekat kao 30 cm stiropora (45 ÷ 1,5). Uporedite to sa standardnih 5‑10 cm stiropora koji se koristi na većini fasada u modernoj gradnji.

Izuzetno je bitno da materijal koji vrši funkciju termoizolacije uvek bude suv. Kako smo već videli, voda je najbolja termalna masa. Kada bala slame pokisne, sitne vazdušne komore se popune vodom, bala oteža i gubi svoju termoizolacionu vrednost. Da bi termoizolacija bila potpuno efektivna, ona se mora dodirivati sa materijalom koji zaustavlja kretanje vazduha. To je najčešće malter ili folija. Različite kombinacije materijala se koriste na različitim mestima, sa krajnjim ciljem da naprave jedinstvenu termoizolacionu membranu oko celog prostora za boravak, jer, da bi kuća bila dobro zaštićena od uticaja spoljne temperature, neophodno je termoizolaciju postaviti i u krov i pod. Pošto se topao vazduh kreće naviše, ključno je postaviti najdeblji sloj termoizolacije između grejane prostorije i krovnog pokrivača. Ovo možemo postići na dva načina:

1. Postavljanjem termoizolacije između nosećih greda (rogova) krovnog pokrivača;
2. Postavljanjem termoizolacije neposredno na plafon grejanih prostorija, čime dobijamo hladan tavan između tih prostorija i krova.

U prvoj varijanti, postavljanje termoizolacije samo između rogova nije idealno, jer grede funkcionišu kao toplotne rupe ili toplotni most (već smo videli da je drvo relativno slab termoizolator). Najčešće se stavlja još jedan sloj termoizolacije koji pokriva i grede i postojeću termoizolaciju, kao što je prikazano na slici 9.8. Na plafonu se zatim ispod termoizolacije postavlja parna brana u vidu plastične folije, koja štiti termoizolaciju od vlage proizvedene unutar kuće. Poslednji sloj plafona ili krova je estetski pokrivač, najčešće daske ili gipsane ploče.

Pored zidova i krova, treći element koji takođe moramo termoizolovati je pod. U našem bioregionu, temperatura zemlje na dubini od 1 m se tokom godine kreće oko 5-15 °C. To je svakako više od zimske temperature vazduha u spoljašnjem prostoru, ali je i dalje ispod komotnih 20°C. Termoizolacioni sloj koji se postavlja između zemlje i poda u kući ne mora biti previše debeo, ali mora biti otporan na kompresiju drugih materijala, nameštaja i kretanja ljudi. I ovaj vid termoizolacije je neophodno zaštititi od vlage koja isparava iz zemlje, postavljanjem parne brane.

Postavili smo Stirodur XPS debljine 2 cm u dva sloja preko parne brane, dok Mačka Tačka nadgleda radove. Plastične cevi koje vire iz poda su odvodi vode iz tuš kabine i kuhinje. Detalji preseka poda su prikazani na slici 9.4.

Staklo i prozori su veoma slabi termoizolatori koji su često odgovorni za najveće toplotne gubitke u prostoriji. Višeslojna stakla poboljšavaju izolaciju, ali se čak i tako dodaje samo jedna ili dve dodatne vazdušne komore. Kada su temperature izuzetno niske, pametno je tokom noći preko celih prozora prevući termoizolacione zavese kako bi se zadržalo što više toplote koju smo se trudili da proizvedemo tokom dana.

Ovo je bio isečak iz naše knjige Život u Prirodi, koju možete naručiti ovde.