ТЕМПЕРАТУРНИЙ КОМФОРТ І ТЕПЛОВА ІНЕРЦІЯ

Тепловий комфорт у приміщенні визначається як стан свідомості, який виражає задоволення температурним середовищем. Цей стан не є константою, а залежить від складного взаємозв’язку шести ключових параметрів: чотирьох параметрів середовища (температура повітря, промениста температура, відносна вологість повітря, швидкість руху повітря) та двох особистих параметрів (рівень метаболічної активності та тепловий опір одягу). Відповідно до стандарту ISO 7730, що є основою для багатьох національних нормативів, включаючи українські, оптимальний температурний діапазон для опалювального періоду становить 20-24°C, а для теплого періоду – 23-26°C, при відносній вологості 40-60%. Однак, ці значення можуть варіюватися в залежності від адаптивних можливостей мешканців та функціонального призначення приміщення.

Промениста температура, що залежить від температури внутрішніх поверхонь огороджувальних конструкцій, має значний вплив на відчуття комфорту. Холодні стіни, навіть при адекватній температурі повітря, можуть викликати дискомфорт через підвищену тепловіддачу тіла шляхом випромінювання. Це підкреслює важливість не тільки опору теплопередачі (R-value) огороджувальних конструкцій, але й їхньої теплової інерції. Висока теплова інерція дозволяє стабілізувати температуру внутрішніх поверхонь, мінімізуючи ефекти холодного випромінювання взимку та перегріву влітку. Контроль швидкості руху повітря до 0.1-0.2 м/с є критичним для уникнення протягів, які значно знижують відчуття комфорту. При проєктуванні будівель з клеєного бруса, його масивність та однорідність забезпечують стабільні променисті температури та мінімізують ризики локальних температурних аномалій, сприяючи оптимальному тепловому комфорту. Додатково, використання ефективних систем вентиляції з рекуперацією допомагає підтримувати необхідну якість повітря та вологість, не порушуючи температурний баланс.

Теплова інерція, або термічна маса, є однією з фундаментальних властивостей будівельних матеріалів та конструкцій, що визначає їхню здатність акумулювати теплову енергію та згодом її віддавати. Цей процес дозволяє згладжувати значні коливання зовнішньої температури, підтримуючи стабільний внутрішній мікроклімат без різких піків нагріву або охолодження. Механізми теплової інерції ґрунтуються на питомій теплоємності та щільності матеріалу. Чим вища питома теплоємність (c) та щільність (ρ) матеріалу, тим більшу кількість теплової енергії він може накопичити на одиницю об’єму (Q = c⋅ρ⋅V⋅ΔT). Важливим також є показник термічної дифузійності (α), який характеризує швидкість поширення тепла в матеріалі (α = λ / (ρ⋅c), де λ — теплопровідність).

Прикладом прояву теплової інерції є фазовий зсув температури: зовнішня температурна хвиля досягає внутрішньої поверхні стіни із затримкою та зі зменшеною амплітудою. Ця затримка (фазовий зсув) та зменшення амплітуди є ключовими для підтримання комфорту. Для масивних стін, таких як з клеєного бруса, фазовий зсув може становити 8-12 годин, що дозволяє накопичувати денне тепло та віддавати його вночі, або навпаки. Наприклад, для стіни з клеєного бруса товщиною 200 мм з питомою теплоємністю деревини близько 2500 Дж/(кг·К) та щільністю 500 кг/м³, об’ємна теплоємність становить 1.25 МДж/(м³·К). Ця властивість дозволяє зменшити потребу в інтенсивному кондиціонуванні влітку та опаленні взимку, оптимізуючи енергоспоживання. Застосування клеєного бруса, відповідно до норм ДБН В.2.6-31:2021 ‘Теплова ізоляція будівель’, може значно покращити інерційні характеристики огороджувальних конструкцій, що є критично важливим для забезпечення сталої енергоефективності в українських кліматичних умовах, де добові коливання температури можуть бути значними.

Клеєний брус, особливо категорії GL24h згідно з EN 14080:2013, являє собою високотехнологічний матеріал для стін, що поєднує структурну міцність та унікальні теплотехнічні властивості, які безпосередньо впливають на теплову інерцію будівлі. GL24h вказує на клас міцності (24 Н/мм²) та однорідну якість ламелей. Середня щільність клеєного бруса з хвойних порід становить близько 450-550 кг/м³, що значно вище, ніж у легких каркасних матеріалів, але нижче, ніж у бетону чи цегли, забезпечуючи оптимальний баланс між масивністю та теплоізоляцією. Коефіцієнт теплопровідності (λ) для сухого клеєного бруса коливається в межах 0.12-0.15 Вт/(м·К). Цей показник є ключовим для розрахунку опору теплопередачі (R-value = d/λ) та коефіцієнта теплопередачі (U-value = 1/R).

Для стіни з клеєного бруса товщиною 200 мм (без додаткового утеплення) R-value становитиме приблизно 200 мм / 0.13 Вт/(м·К) = 1.54 м²·К/Вт. При цьому, питома теплоємність деревини становить близько 2400-2700 Дж/(кг·К). Це дозволяє деревині накопичувати значну кількість тепла. Попри те, що дерево є добрим теплоізолятором, його масивність в конструкції клеєного бруса забезпечує помітну теплову інерцію. У порівнянні з легкими каркасними стінами, які мають низьку теплову інерцію, стіни з клеєного бруса здатні краще стабілізувати внутрішню температуру, зменшуючи амплітуду добових коливань. Це особливо цінно в умовах клімату України, де різниця між денними та нічними температурами може бути значною. Використання клеєного бруса також сприяє природній регуляції вологості, що позитивно впливає на загальний мікроклімат приміщень. Більше інформації про технологію можна знайти на сторінці будівництво з клеєного бруса.

Для повного розуміння переваг клеєного бруса з точки зору теплової інерції, необхідно провести порівняльний аналіз з іншими поширеними будівельними матеріалами: бетоном, цеглою та легкими каркасними конструкціями. Кожен матеріал має унікальне поєднання щільності, питомої теплоємності та теплопровідності, що визначає його інерційні характеристики.

Як видно з таблиці, залізобетон має найвищу об’ємну теплоємність, що свідчить про його значний потенціал до акумуляції тепла. Однак, його висока теплопровідність означає, що тепло швидко проходить крізь нього, що вимагає інтенсивного зовнішнього утеплення. Цегла та газобетон демонструють середні показники. Клеєний брус (GL24h) має об’ємну теплоємність 1.25 МДж/(м³·К), що є значним показником для дерев’яного матеріалу. Його ключова перевага полягає в оптимальному поєднанні помірної щільності та відносно низької теплопровідності. Це дозволяє стіні з клеєного бруса ефективно накопичувати тепло, а потім повільно і рівномірно його віддавати, забезпечуючи значний фазовий зсув (близько 8-12 годин для типової товщини 200-240 мм), що значно перевищує показники легких каркасних стін з мінеральною ватою, де інерція практично відсутня. При цьому деревина має властивості паропроникності, що сприяє «диханню» стін та підтриманню здорового мікроклімату, на відміну від монолітних матеріалів. Зважаючи на ці аспекти, клеєний брус виступає як ідеальне рішення для збалансованої теплової інерції в будинках, забезпечуючи стабільний температурний режим.

Ефективне проєктування стін з клеєного бруса для забезпечення максимального температурного комфорту в умовах клімату України вимагає врахування як теплотехнічних властивостей самого матеріалу, так і специфічних регіональних факторів. Український клімат характеризується значними сезонними та добовими коливаннями температур, що вимагає будівель з високою адаптивною здатністю. Для Київської області, наприклад, розрахункова зовнішня температура для проєктування опалення становить -22°C (ДБН В.2.6-31:2021), а для літнього періоду середньомісячні температури можуть сягати +25°C. Таким чином, стіни повинні ефективно працювати як взимку, так і влітку.

При проєктуванні стін з клеєного бруса важливо інтегрувати принципи пасивного будинкового будівництва. Це включає оптимальне орієнтування будівлі за сторонами світу для максимізації сонячного притоку взимку та мінімізації перегріву влітку. Південні фасади можуть бути обладнані великими вікнами з можливістю затінення, тоді як західні та східні фасади потребують ретельнішого планування з меншими отворами або ефективними сонцезахисними елементами. Для стін з клеєного бруса товщиною 200-240 мм, які мають коефіцієнт теплопередачі (U-value) близько 0.5-0.65 Вт/(м²·К), може знадобитися додаткове зовнішнє утеплення для досягнення нормативних вимог ДБН В.2.6-31:2021, які для стін житлових будівель у першій температурній зоні (більша частина України) вимагають R ≥ 3.3 м²·К/Вт (U ≤ 0.3 Вт/(м²·К)). Однак, навіть без додаткового утеплення, інерційність клеєного бруса допомагає згладжувати температурні піки, що є критично важливим для комфорту. Використання системи «тепла підлога» в поєднанні з масивними дерев’яними стінами створює рівномірний тепловий фон, запобігаючи конвективним потокам повітря. Детальне планування та використання BIM-моделювання дозволяють врахувати всі ці аспекти на етапі проєктування.

Теплова інерція будівлі є не лише функцією матеріалу стін, але й результатом інтегрованого підходу, що включає архітектурні рішення та ефективні інженерні системи. Архітектурне проєктування відіграє ключову роль у використанні пасивних стратегій для управління тепловим балансом. Наприклад, розмір та орієнтація віконних прорізів безпосередньо впливають на сонячний притік. На південній стороні великі вікна можуть забезпечити значний пасивний сонячний обігрів взимку, тоді як улітку їх слід захищати від перегріву за допомогою зовнішніх жалюзі, козирків або рослинності. У свою чергу, наявність зовнішніх конструкцій, таких як балкони або тераси, може забезпечувати природне затінення.

Інженерні системи, такі як опалення, вентиляція та кондиціонування повітря (ОВК), мають прямий вплив на використання та ефективність теплової інерції. Системи опалення з низькою температурою теплоносія, наприклад, теплові насоси у поєднанні з теплими підлогами, працюють більш ефективно в інерційних будівлях, оскільки вони можуть підтримувати стабільну температуру з меншими коливаннями та витратами енергії. Системи вентиляції з рекуперацією тепла (HRV/ERV) дозволяють забезпечити необхідний повітрообмін без значних втрат накопиченого тепла, що особливо важливо для підтримки інерційного режиму. Також, використання ‘розумних’ систем управління кліматом, які можуть прогнозувати зовнішні температурні зміни та відповідно регулювати роботу ОВК систем, дозволяє максимально використовувати теплову інерцію будівлі, мінімізуючи споживання енергії. Завдяки високій тепловій інерції, клеєний брус створює буфер, що згладжує роботу цих систем, роблячи їх більш стабільними та енергоефективними. Наприклад, взимку, коли системи опалення працюють періодично, стіни з клеєного бруса повільно віддаватимуть накопичене тепло, запобігаючи швидкому охолодженню приміщення.

Українські будівельні норми, зокрема ДБН В.2.6-31:2021 ‘Теплова ізоляція будівель’, встановлюють жорсткі вимоги до теплотехнічних характеристик огороджувальних конструкцій, що безпосередньо впливає на температурний комфорт та енергоефективність будівлі. Для стін житлових будівель, розташованих у першій температурній зоні України (до якої належить більшість областей, включаючи Київську, Чернігівську, Харківську), мінімальний допустимий опір теплопередачі (R) становить 3.3 м²·К/Вт, що еквівалентно U-value не більше 0.3 Вт/(м²·К). Це вимагає ретельного проєктування та вибору матеріалів.

Хоча клеєний брус сам по собі є хорошим теплоізолятором (з U-value близько 0.5-0.65 Вт/(м²·К) для товщини 200-240 мм), для досягнення нормативних показників ДБН В.2.6-31:2021 в більшості випадків необхідно застосовувати додаткове утеплення. Однак, варто підкреслити, що роль клеєного бруса не обмежується лише R-value. Його масивність та висока об’ємна теплоємність забезпечують значну теплову інерцію, яка є менш формалізованою в чинних українських нормативах, ніж U-value, але критично важливою для фактичного комфорту та зменшення пікових навантажень на системи ОВК. Хоча ДБН не вимагає прямого розрахунку фазового зсуву чи декременту амплітуди для житлових будівель, ці параметри є невід’ємною частиною сучасних методик оцінки енергоефективності, як, наприклад, в стандартах ZEB (Nearly Zero-Energy Building). Сучасні проєкти з будинків з клеєного бруса часто передбачають комбіновані стінові системи, де зовнішній шар утеплювача (наприклад, мінеральна вата або деревоволокнисті плити) забезпечує необхідний R-value, а внутрішній шар з масивного бруса – високу теплову інерцію. Такий підхід дозволяє не тільки відповідати нормативним вимогам, а й створювати будівлі з винятковим температурним комфортом та низькими експлуатаційними витратами, забезпечуючи оптимальне співвідношення теплоізоляції та теплової інерції.