CLT ЯК ТЕПЛОВИЙ АКУМУЛЯТОР

Теплова акумуляція — це здатність матеріалу поглинати, зберігати та повільно вивільняти теплову енергію. Для CLT цей процес визначається внутрішньою структурою деревини. Деревина, як і будь-який матеріал, має певну питому теплоємність (c), що для сухої деревини становить приблизно 1300-1700 Дж/(кг·К). Це означає, що для нагрівання 1 кг деревини на 1 Кельвін потрібно від 1,3 до 1,7 кДж енергії. Хоча питома теплоємність деревини нижча, ніж у води (4186 Дж/(кг·К)) або бетону (800-1000 Дж/(кг·К)), її термічна маса у конструкціях великого об’єму, таких як CLT-панелі, стає значною.

CLT-панелі мають відносно низьку густину (450-500 кг/м³ для хвойних порід) порівняно з бетоном (2400 кг/м³) або цеглою (1600-1800 кг/м³). Однак, за рахунок значної товщини та монолітності, вони формують ефективну теплову масу. Наприклад, стіна з CLT товщиною 100 мм матиме термічну масу, яка за об’ємом перевищує масу легких каркасних конструкцій. Ця маса дозволяє CLT-елементам діяти як природний буфер, згладжуючи пікові коливання температури в приміщенні. Вдень вони поглинають надлишкове тепло від сонячного випромінювання або роботи внутрішніх джерел, а вночі, коли зовнішня температура знижується, поступово віддають його назад у приміщення, підтримуючи стабільний мікроклімат. Ця властивість особливо цінна в кліматичних зонах з великими добовими коливаннями температур, що дозволяє зменшити залежність від систем опалення та кондиціонування.

Гігротермічна поведінка деревини також впливає на сприйняття теплового комфорту. Деревина є гігроскопічним матеріалом, здатним абсорбувати та десорбувати вологу з повітря. Цей процес супроводжується прихованими тепловими ефектами: при абсорбції вологи вивільняється тепло, а при десорбції — поглинається. Це створює додатковий ефект стабілізації внутрішньої температури та вологості, що покращує якість повітря в приміщенні (IAQ) і підвищує суб’єктивний комфорт мешканців, навіть якщо фактичні показники температури не змінюються кардинально. Таким чином, CLT не просто зберігає тепло, а й активно взаємодіє з мікрокліматом, створюючи більш здорові та комфортні умови проживання.

Для кращого розуміння впливу матеріалів на будівництво, варто вивчити статтю про бетон, щоб провести порівняльний аналіз з CLT.

Однією з ключових переваг CLT як теплового акумулятора є його здатність до зсуву фази (фазового зсуву) температурної хвилі. Це означає, що пік зовнішньої температури досягає внутрішньої поверхні стіни із затримкою, і його амплітуда значно зменшується. Час затримки фазового зсуву (τ) — це період, необхідний для проходження температурної хвилі крізь огороджувальну конструкцію. Для зовнішніх стін із CLT товщиною 200-300 мм, без додаткової ізоляції, τ може становити 6-10 годин. Це дозволяє, наприклад, перенести пік нагріву зовнішньої стіни з денних годин, коли сонце найактивніше, на нічні, коли охолодження приміщення є бажаним.

Коефіцієнт демпфування (f), або коефіцієнт зменшення амплітуди, є іншим важливим показником. Він показує, наскільки сильно амплітуда зовнішніх температурних коливань знижується при проходженні крізь стіну. Для якісних CLT-конструкцій з відповідною теплоізоляцією, коефіцієнт демпфування може досягати значень 0,05-0,1, що означає зменшення амплітуди коливань у 10-20 разів. Ці показники є важливими для забезпечення комфортного внутрішнього мікроклімату без використання активних систем охолодження чи опалення. ДБН В.2.6-31:2021 ‘Теплова ізоляція будівель’ не встановлює прямих вимог до фазового зсуву для всіх типів будівель, але вказує на необхідність забезпечення комфортних умов, що непрямо сприяє застосуванню матеріалів з високою тепловою інерцією.

Оптимізація зсуву фази та коефіцієнта демпфування досягається не лише за рахунок товщини CLT, а й комбінації з зовнішньою теплоізоляцією. Зовнішній шар ізоляції (наприклад, мінеральна вата або деревоволокнисті плити) забезпечує високий термічний опір, тоді як масивна CLT-панель виконує функцію акумулятора тепла. Така багатошарова конструкція дозволяє максимально використовувати переваги обох матеріалів, забезпечуючи низьке U-значення (високу теплоізоляцію) і ефективний фазовий зсув. Проєктування таких конструкцій вимагає детального термографічного аналізу та розрахунків, які враховують не тільки стаціонарні, а й динамічні теплові процеси.

Застосування CLT-панелей у якості основних несучих елементів стін та перекриттів відкриває широкі можливості для реалізації принципів теплової інерції в будівлі. Вертикальні CLT-панелі, що формують стіни, та горизонтальні панелі для перекриттів, можуть бути як відкритими для інтер’єру (якщо дозволяє дизайн), так і прихованими під фінішним оздобленням. У випадку відкритих поверхонь CLT, деревина не тільки візуально збагачує інтер’єр, але й безпосередньо взаємодіє з повітрям у приміщенні, поглинаючи або віддаючи тепло та вологу.

Оптимізація для теплової інерції в стінах CLT починається з вибору їх товщини. Для житлових будинків в Україні, де середня температура опалювального періоду може бути від -2,2°C до +0,7°C (залежно від регіону, згідно ДБН В.1.1-12:2014 ‘Будівництво в сейсмічних районах України’, який містить кліматичні дані), рекомендована товщина зовнішніх стін з CLT разом із теплоізоляцією повинна забезпечувати U-значення не більше 0,28 Вт/(м²·К). Це досягається, наприклад, комбінацією CLT товщиною 100-140 мм із шаром ефективної теплоізоляції (наприклад, 150-200 мм мінеральної вати або ППС). Внутрішні стіни та перекриття з CLT також відіграють роль, згладжуючи температурні перепади між кімнатами та поверхами, а також забезпечуючи акустичний комфорт.

Важливою складовою є інтеграція CLT-панелей у загальну архітектурну та інженерну концепцію будівлі. Правильне орієнтування будівлі за сторонами світу, використання пасивних сонячних систем (великі вікна на південь), а також системи вентиляції з рекуперацією тепла (система вентиляції) дозволяють максимально використовувати акумулятивні властивості CLT. У багатоповерхових будівлях CLT-перекриття ефективно знижують передачу тепла та звуку між поверхами, сприяючи загальній енергоефективності та комфорту. Проєкти з відкритими CLT-поверхнями дозволяють матеріалу дихати, створюючи природну вентиляцію і додатково регулюючи вологість повітря, що є запорукою здорового мікроклімату.

Теплотехнічні характеристики CLT визначаються декількома ключовими параметрами, серед яких центральне місце посідає коефіцієнт теплопередачі (U-значення). U-значення показує кількість тепла, що проходить через 1 м² конструкції за 1 секунду при різниці температур 1 Кельвін. Чим нижче U-значення, тим кращі теплоізоляційні властивості має матеріал або конструкція. Для CLT-панелей, що складаються з масиву деревини, U-значення залежить від товщини панелі та щільності деревини. Наприклад, для CLT панелі товщиною 100 мм з сосни, U-значення може становити приблизно 0,9-1,1 Вт/(м²·К), а для 200 мм – 0,45-0,55 Вт/(м²·К).

Однак, ці значення недостатні для сучасних стандартів енергоефективності, особливо в умовах українського клімату, де ДБН В.2.6-31:2021 вимагає для зовнішніх стін житлових будівель U-значення не вище 0,28 Вт/(м²·К), а для перекриттів – до 0,25 Вт/(м²·К). Тому CLT завжди використовується в комбінації з високоефективними теплоізоляційними матеріалами. Наприклад, зовнішня стіна з CLT (120 мм) + мінеральна вата (180 мм, λ=0,037 Вт/(м·К)) + вентильований фасад, може досягати U-значення 0,18-0,22 Вт/(м²·К), що значно перевищує нормативи і відповідає вимогам для будівель з майже нульовим споживанням енергії (nZEB).

Порівняно з традиційними матеріалами, CLT має свої переваги та недоліки. Бетонні стіни тієї ж товщини мають значно вищі U-значення (до 3,5-4,0 Вт/(м²·К)), але володіють вищою термічною масою. Цегляні стіни (U-значення 1,2-2,0 Вт/(м²·К)) також потребують додаткового утеплення. Ключова відмінність полягає в співвідношенні теплоізоляції та теплової акумуляції. CLT ефективно поєднує помірну теплоізоляцію з достатньою термічною масою та вираженим фазовим зсувом, чого бракує легким каркасним конструкціям. Водночас, маючи нижчу щільність, CLT дозволяє зменшити навантаження на фундамент, що може бути перевагою в певних проєктах, особливо при будівництві на складних ґрунтах. Це також важливо при виборі фундаменту, як описано тут: фундамент.

Ефективність CLT як теплового акумулятора значною мірою залежить від якості проєктування та виконання вузлів з’єднання. Теплові містки (мости холоду), що виникають у місцях з’єднань панелей, кутів, примикань віконних та дверних прорізів, можуть суттєво знизити загальну енергоефективність будівлі та нівелювати переваги теплової акумуляції масиву деревини. Саме тому детальний розбір та оптимізація цих вузлів є критично важливим етапом.

Основні принципи проєктування теплоефективних CLT-вузлів включають:

1. Мінімізація теплових містків: Використання термовкладишів з низькою теплопровідністю (наприклад, піноскло, XPS, жорсткі деревоволокнисті плити) у місцях з’єднань панелей. Це особливо актуально для кутових з’єднань та примикань між стінами та перекриттями. Металеві кріплення, хоч і необхідні для структурної цілісності, повинні бути спроєктовані таким чином, щоб їхній вплив на теплопередачу був мінімальним, наприклад, через застосування кріплень з меншою площею перерізу або розташування їх у зовнішньому шарі теплоізоляції.
2. Забезпечення повітронепроникності: Герметичність конструкції є фундаментальною для запобігання неконтрольованим втратам тепла через конвекцію. Стики CLT-панелей повинні бути ретельно проклеєні спеціальними стрічками або герметиками. Цільовий показник повітронепроникності (n50) для будівель з CLT, які прагнуть до високих енергоефективних стандартів, таких як пасивні будинки, становить ≤ 0,6 обмінів на годину при тиску 50 Па (згідно зі стандартом Passivhaus). Навіть для звичайних енергоефективних будівель, показник n50 ≤ 3,0 обмінів на годину є бажаним.
3. Правильне розташування теплоізоляції: Утеплення повинно бути безперервним зовнішнім контуром, повністю покриваючи CLT-панелі та перекриття. Це допомагає не тільки досягти низького U-значення, але й захищає CLT від перепадів температур, що сприяє його стабільності та довговічності. Внутрішній шар CLT тоді максимально виконує функцію теплового акумулятора.
4. Деталізація віконних та дверних прорізів: Ці елементи є потенційними джерелами теплових містків. Рекомендується використовувати віконні блоки з високим коефіцієнтом опору теплопередачі (U_w ≤ 1,0 Вт/(м²·К)) та з інтегрованими терморозривами. Монтаж віконних рам з винесенням їх у шар теплоізоляції або на спеціальні термомодулі дозволяє уникнути прямого контакту рами з холодним зовнішнім повітрям.

Детальний підхід до проєктування кожного вузла, використання 3D-моделювання та термографічного аналізу дозволяє виявити та усунути потенційні проблеми ще на етапі проєктування, забезпечуючи максимальну теплову ефективність та комфорт протягом усього терміну експлуатації будівлі.

Енергоефективність будівель є пріоритетом в Україні, і згідно з ДБН В.2.6-31:2021 ‘Теплова ізоляція будівель’, встановлені чіткі вимоги до теплотехнічних характеристик огороджувальних конструкцій. Для житлових будівель в більшості регіонів України (зокрема, для першої температурної зони, що охоплює більшість території країни, включаючи Київську область), максимальне розрахункове значення коефіцієнта теплопередачі зовнішніх стін становить U ≤ 0,28 Вт/(м²·К), покриттів – U ≤ 0,25 Вт/(м²·К), а для світлопрозорих конструкцій (вікон, дверей) – U_w ≤ 1,0-1,1 Вт/(м²·К). Будівлі з CLT, за умови належного проєктування та використання ефективної теплоізоляції, не тільки відповідають цим нормам, але й можуть значно їх перевершувати.

CLT-панелі, у поєднанні з відповідними утеплювачами (наприклад, мінеральна вата, PIR-плити), дозволяють створювати стіни з U-значенням до 0,15-0,20 Вт/(м²·К). Це значно нижче нормативного порогу і сприяє зниженню теплових втрат на 30-50% порівняно з мінімальними вимогами ДБН. Більш того, завдяки своїй термічній масі, CLT-конструкції забезпечують високу теплову інерцію, що є критично важливим для стабілізації внутрішньої температури. В українських умовах, де добові та сезонні температурні коливання можуть бути значними, здатність CLT згладжувати ці коливання зменшує навантаження на системи опалення взимку та кондиціонування влітку, що призводить до суттєвої економії енергоресурсів.

Деревина є природним матеріалом з низькою теплопровідністю, і використання її у вигляді масивних CLT-панелей дозволяє ефективно боротися з тепловими втратами. Додатковою перевагою є низька повітропроникність CLT-конструкцій, що в поєднанні з контрольованою вентиляцією (наприклад, з рекуперацією тепла) забезпечує здоровий мікроклімат та мінімізує конвективні втрати тепла. Зростаюча кількість проєктів з CLT в Україні, зокрема у приватному будівництві та сегменті комерційних об’єктів, підтверджує його відповідність та перспективність для досягнення високих стандартів енергоефективності, що є ключовим для сталого розвитку країни. Деякі інноваційні підходи до будівництва з дерева можна знайти на сторінці деревина для будинку.

CLT, як матеріал, що базується на деревині, має унікальні гігротермічні властивості, які позитивно впливають на внутрішній мікроклімат будівлі. Деревина є гігроскопічним матеріалом, тобто здатна поглинати та віддавати водяну пару з навколишнього повітря. Ця природна здатність до вологорегуляції дозволяє CLT-конструкціям стабілізувати рівень відносної вологості в приміщенні, підтримуючи його в оптимальному діапазоні 40-60%. Це надзвичайно важливо для здоров’я людини, оскільки надмірно сухе повітря може викликати подразнення дихальних шляхів та слизових оболонок, тоді як надмірна вологість сприяє розвитку плісняви та мікроорганізмів.

Крім того, CLT сприяє створенню комфортного температурного режиму. Завдяки своїй тепловій інерції та здатності до фазового зсуву, CLT-стіни та перекриття згладжують різкі коливання температури, запобігаючи перегріву влітку та надмірному охолодженню взимку. Це створює відчуття стабільності та затишку, що є важливим для психологічного комфорту мешканців. Поверхні деревини, навіть якщо вони не є гарячими, відчуваються теплими на дотик через низьку теплопровідність, що робить приміщення візуально та тактильно більш приємними.

Дослідження показують, що перебування в приміщеннях з дерев’яними поверхнями може знижувати рівень стресу, покращувати концентрацію та загальне самопочуття. Це пов’язано не тільки з естетичним аспектом, але й з природними властивостями деревини, яка дихає і взаємодіє з оточенням. У поєднанні з належною системою вентиляції, CLT-будинки забезпечують оптимальну якість повітря в приміщенні (IAQ), вільну від шкідливих випаровувань, що часто трапляються у синтетичних матеріалах. Таким чином, CLT не просто будує міцні конструкції, а створює здорові та комфортні простори для життя, що є невід’ємною частиною сучасної концепції будівництва, орієнтованої на людину.

Довговічність та надійність CLT-конструкцій є ключовими аспектами, що підтверджують їхню привабливість як теплових акумуляторів та основних елементів будівлі. Сучасні CLT-панелі виготовляються з високоякісної деревини, що пройшла ретельну сушку та сортування. Процес перехресного склеювання шарів під високим тиском надає матеріалу виняткову стабільність розмірів, запобігаючи деформаціям та розтріскуванню, що характерно для масивної деревини. Це забезпечує високу стійкість до усадки, що є проблемою для традиційних дерев’яних конструкцій.

Для забезпечення довговічності CLT-будівель критично важливим є належний захист від вологи та біологічних уражень. Хоча деревина у складі CLT є стійкою до багатьох зовнішніх факторів, прямий і тривалий контакт з водою може призвести до її пошкодження. Тому при проєктуванні та будівництві необхідно передбачати ефективні системи гідроізоляції та дренажу. Це включає використання надійних покрівельних матеріалів, якісних водовідведень, а також належний захист цокольних частин стін від капілярної вологи. Сучасні захисні покриття та просочення для деревини також можуть бути застосовані для підвищення її стійкості до грибків, плісняви та комах.

Що стосується вогнестійкості, то CLT-панелі мають унікальну властивість. При впливі відкритого вогню зовнішній шар деревини обвуглюється, утворюючи захисний шар, який уповільнює поширення горіння до внутрішніх шарів. Це дозволяє CLT зберігати свою несучу здатність протягом значного часу, що перевищує показники деяких металевих конструкцій, які можуть швидко втрачати міцність при високих температурах. Ця властивість відображається у класифікації вогнестійкості згідно з EN 13501-2, де CLT може досягати класів R30, R60 і навіть R90, що відповідає високим стандартам безпеки. З правильним захистом і регулярним обслуговуванням, термін служби CLT-будівель може перевищувати 100 років, що робить їх надійним і вигідним інвестиційним рішенням.