עקרונות התכנון התרמי במבנים
המאמר מציג את מטרות התכנון התרמי ומטרת ת"י 1045 התקן לבידוד תרמי, דוגמה לניתוח תכנון קיר חיצוני וכן דן בחשיבות התכנון התרמי מבחינה סביבתית וכלכלית.
הקדמה
תכנון תרמי נכון של המבנה מבטיח:
- חיסכון בהוצאות חימום וקירור המבנה.
- רמת נוחות גבוהה ויציבות ממושכת של הטמפרטורה בתוך המבנה.
- מניעת רטיבות ועובש על פני הקירות (כתוצאה ממניעת נקודות טל במשטחים פנימיים של מעטפת הבניין).
- מניעת נזקים תברואתיים ואסתטיים העלולים להיגרם מהיווצרות עובש על הקירות או התקרות שאינם מבודדים כראוי.
האנרגיה הדרושה לשם הבטחת האקלים הפנימי הרצוי בבניין מהווה פונקציה של תנאי האקלים באזור שבו נבנה הבניין והאיכות התרמית של מעטפתו החיצונית.
להשגת מטרות אלו חיוני להבין את הרב-גוניות של המושג "בידוד תרמי". תכנון הבידוד מבוסס על תורת מעבר החום. במאמר זה אביא את עקרונות הבידוד התרמי התקני, שמטרתו העיקרית לשמר אנרגיה. יושם דגש על קריטריונים לבנייה אקלימית.
מטרות התכנון התרמי במבנים
חוק התכנון והבנייה הוא הכלי העיקרי המסדיר את האופן שבו מתבצעים תהליכי התכנון, הרישוי והביצוע של עבודות בנייה בישראל. החוק מחייב כתנאי לקבלת היתר בנייה, ביצוע בדיקה מפורטת של הבידוד התרמי של המבנה המתוכנן. במסגרת תקנות התכנון והבנייה (בקשה להיתר, תנאיו ואגרות) (תוספת שנייה), התשנ"ו -1996 פסקה 5.39 נאמר: "כל מבנה חדש חייב לעמוד בדרישות לפרמטרים תרמיים כדין". הגשת חישוב מפורט של חומרי הבידוד התרמי הוא תנאי הכרחי לקבלת היתר בנייה מהרשות המקומית.
מטרת התקן לבידוד תרמי היא לקבוע דרישות מינימליות לבידוד תרמי של כל חתך וחתך במעטפת המבנה. בתקן קיימות גם דרישות המגבילות את העברת קרינת אנרגיית השמש דרך חלונות במבנים משרדיים. דרישות אלה נקבעו בפרקיו השונים של התקן, המתייחסים למבנים לפי ייעודם (מבני מגורים, בתי ספר וגני ילדים, בנייני משרדים ומבנים אחרים) ולפי ארבעה אזורי אקלים בארץ. הבדיקה אמורה להתבצע לפי תקן ישראלי לבידוד תרמי של בניינים (ת"י 1045 ). מטרת הבדיקה - לאפשר השגת נוחות אקלימית, הקטנת הסיכון ליצירת עובש והקטנת ההוצאה הכספית למערכות הסקה ומיזוג אוויר.
מושגי יסוד:
התנגדות תרמית של אלמנט (קיר, גשר תרמי, תקרה, רצפה, חלון, דלת) - משקפת את כושר מניעת מעבר החום בין פנים הדירה לחוץ. ההתנגדות מורכבת מהתנגדויות של כל שכבות החומרים בחתך האלמנט, כולל התנגדויות מעבר חום בין אוויר חיצוני ואוויר פנימי של האלמנט.
התקן מבחין בין טיפוסי אלמנטים במעטפת הבניין כדלקמן:
- "קיר חוץ"- הקיר המפריד בין הדירה לבין אוויר חוץ, עליו יש קרינת שמש ישירה ו/או
קרינה ישירה ממנו אל החלל ו/או אלמנטים אחרים הסוככים עליו בפני הרוח.
- "קיר הפרדה בין הדירה לחללים סגורים שאינם מחוממים או מקוררים" - קיר המפריד בין
הדירה לבין חלל סגור לא מחומם, כגון: חדר מדרגות, מרפסת סגורה, מחסן, מקלט וכיו"ב.
- "תקרה עליונה" - היא התקרה שאין מעליה חלל סגור. למשל תקרת גג שטוח של בניין וכל
תקרה שמעליה מרפסת.
- "תקרה מתחת לחללי גגות" - כל תקרה שמעליה חלל, למשל גג רעפים.
- "רצפה מעל חללים פתוחים" - היא רצפה שמתחתיה אזור שבו אפשרית זרימת אוויר מבחוץ.
למשל, רצפה או חלק ממנה שמתחתיה קומת עמודים מפולשת, ו/או מרפסת פתוחה או חלק רצפה הבולט מעבר לקיר החוץ שמתחתיו.
- "רצפה מעל חללים סגורים לא מחוממים", למשל רצפה מעל מקלט, מחסן, חדר מדרגות, מעבר ציבורי, חדר מכונות, מרפסת סגורה, חלל אוויר כלוא בתחתית הבניין.
- "כיס גרירה" - חלל אשר עשוי באלמנט המעטפת של מבנה/דירה המיועד לפתיחת חלונות ו/או
דלתות הזזה.
- "גשר תרמי" - אזור באלמנט הבניין שחתכו שונה מהחתך האופייני לאלמנט (שלד המבנה,
קורות, חגורות וצלעות בגג, צלעות וכו').
אלמנט "לא סופג" - אלמנט המעטפת שהפן הפנימי שלו (הפונה אל חלל הדירה) עשוי מלוחות עץ כלשהם או מצופה טפט, פי-וי-סי , צבע שמן או אריחים.
אלמנט "סופג" - אלמנט המעטפת שהפן הפנימי שלו (הפונה אל חלל הדירה) אינו מצופה בטפט, פי-וי-סי, צבע שמן או באריחים ואינו עשוי מלוחות עץ כלשהם.
התקן מגדיר דרישות להתנגדות תרמית אופיינית (r) מינימלית של האלמנטים במעטפת הבניין, כמו: קיר חוץ, קיר הפרדה, תקרה עליונה, תקרה תחת חלל סגור, רצפות מעל חללים סגורים או פתוחים וגשר תרמי. ערכה של ההתנגדות המינימלית היא פונקציה של מספר גורמים: האזור שבו מתוכנן הבניין, סוג וייעוד הבניין, המסה ליחידת שטח, אלמנט המעטפת וכמובן אזור אקלים.
קבוע הזמן התרמי (TCC) זהו פרמטר שמאפיין התמדה תרמית של האלמנט ותגובתו לשינוי טמפרטורות חוץ. משמע, ככל שערכו של TCC גדול יותר, כך מואטת השפעת שינוי טמפרטורת החוץ על הפרמטרים של האוויר בפנים. כך ניתן להשיג רמת נוחות תרמית גבוהה ובנוסף חיסכון באנרגיה.
ערכו של TCC משתנה עם שינוי סדר שכבות חומרי הבנייה באלמנט. ההתנגדות התרמית של האלמנט אינה מושפעת משינוי זה. בהמשך נסביר טענה זאת באמצעות נתונים מוחשים. כמו כן, ננתח אפשרויות תכנון האלמנטים בבניין.
יש לציין כי עד היום לא הוגדרו הדרישות לקביעת הזמן התרמי, אם כי מומלץ לדאוג להגדלת ערכו של הפרמטר. זאת ניתן לעשות על ידי קביעת סדר השכבות הנכון באלמנט עוד בשלב התכנון וכמובן, על ידי קביעת סוג חומר השכבות באלמנט המבנה.
מוליכות תרמית נפחית (G) היא שטף החום הממוצע, העובר מהמבנה או אל המבנה, לכל מ"ק אחד של נפח, לכל מעלת צלסיוס של ההפרש שבין הטמפרטורה של אוויר הפנים לבין הטמפרטורה של האוויר בחוץ. המוליכות התרמית הנפחית מהווה פרמטר בלתי נפרד שמבטא את כושר הבידוד התרמי הכולל של המבנה מבחוץ, לרבות השפעת כושר הבידוד של כל האלמנטים החיצוניים של מעטפת המבנה והשפעת חדירת אוויר.
המוליכות התרמית הנפחית משקפת את כמות אנרגיית קור/חום שיש להשקיע בשעה ליחידת נפח כדי להבטיח טמפרטורה ברמת נוחות רצויה.
בפרקיו המתאימים של ת"י 1045 הוגדרו דרישות למוליכות התרמית הנפחית המקסימלית, כאשר ערכה היא פונקציה של אזור אקלים, ייעוד וסוג המבנה וכן המשקל הסגולי ליחידת שטח של האלמנטים (במעטפת בבתי מגורים בלבד, התקן אינו קובע קריטריון זה לגבי בתי ספר וגני ילדים). ההפרש בין המוליכות התרמית הנפחית של דירה שעברה בדיקה תרמית ותוכננה לפי התקן לבין דירה באותו השטח שלא עברה בדיקה ולא תוכננה על פי התקן מגיע לשיעור של 40%-60%. משמעות הדבר שהדייר המתגורר בדירה השנייה ישלם כל שנה כ-40%-60% יותר מאשר הדייר בדירה המבודדת על פי התקן.
כל שינוי בהרכב האלמנטים המהווים את מעטפת הבניין או שינוי השטח של אחד מהם יגרום לשינוי ערכה של המוליכות התרמית הנפחית. לדוגמה, בבניין מגורים שבו כל הדירות זהות בתכנון הפנימי ובתנאי הספקת אותה כמות אנרגיה לחימום/קירור הדירה, הטמפרטורה בדירה הממוקמת מעל המחסן הלא מחומם, תהיה שונה מזו של הדירה בקומה האמצעית שמעליה דירה קטנה יותר עם מרפסת. התקן מפריד בין סוגי הדירות ומחייב לבצע עבורן חישובים תרמיים נפרדים. בבנייה לגובה יש לבדוק כל אחת מהדירות בהתאם להגדרתן בתקן:
- דירה מעל חלל סגור
- דירה בקומת ביניים
- דירה עם תקרה חשופה (שטח התקרה שווה שטח מרפסת של דירה בשטח קטן יותר ונמצאת מעל דירה הנבדקת)
- דירה בקומה עליונה
אמצעי שיפור המוליכות התרמית הנפחית:
- שימוש בחלונות כפולים ודלתות מבודדות
- מניעת הגדלת שטח חלונות (עד שיעור מסוים)
- הגדלת ערכי ההתנגדויות התרמית האופייניות של אלמנטים חיצוניים של המבנה (בעיקר על ידי הגדלת עובי הבידוד התרמי).
דוגמה לניתוח תכנון קיר חיצוני
לוח 1. תיאור שכבות הקיר
עובי בס"מ | חומר השכבה | |
10 | אבן גיר | 1 |
D1 | בטון | 2 |
D | לוחות חומר בידודי | 3 |
10 | בלוק בטון | 4 |
1.5 | טיח פנים | 5 |
תוצאות החישוב מוצגות בלוחות 2-4.
לוח 2. שינוי עובי הבידוד התרמי ( D ) וההתנגדות התרמית של הקיר
ההתנגדות התרמית האופיינית מ"ר למ"צ לוט (מינימום לפי אזור ירושלים :0.7 ) | עובי בידוד -D , בס"מ (כאשר D1 = 15 ס"מ) |
0.925 1.015 1.289 | 2 3 4 |
לוח 3. שינוי עובי בטון (D1) וההתנגדות התרמית של הקיר
ההתנגדות התרמית האופיינית מ"ר למ"צ לוט (מינימום לפי אזור ירושלים : 0.7 ) | עובי בטון -D1 , בס"מ (כאשר = D3 ס"מ) |
0.925 | 15 |
0.949 | 20 |
לוח 4. שכבות הקיר וקבוע הזמן התרמי (CCT), שעות
הבידוד - שכבה מס' 2 | הבידוד - שכבה מס' 3 | עובי בידוד (בטון -15 ס"מ) |
73.9 101.5 167.0 95.8 | 25.4 28.8 37.8 31.2 | 2 3 4 מ"ס 3 דודיב מ"ס 20 ןוטבו |
ניתוח התוצאות:
א. השפעת שינוי עובי שכבת הבטון על ההתנגדות התרמית של הקיר היא מזערית.
שינוי עובי שכבת הבידוד התרמי משנה משמעותית את ערכה של התנגדות התרמית (ראה לוח 2 ).
ב. להגדלת TCC כתנאי הסקה מומלץ לתכנן שכבת בידוד בצד החיצוני של הקיר.
ג. הגדלת עובי השכבות הכבדות (בטון) אינה מהווה פתרון יעיל לשיפור TCC.
השפעה על הסביבה
תכנון תרמי של בניינים במדינת ישראל יכול לעזור להשגת יעדים לאומיים, כמו הפחתת כמות פליטת CO2 כתוצאה משימוש מופחת באנרגיה לחימום וקירור בניינים המבודדים כהלכה. בהתחשב בעובדה שבעשור האחרון נבנו בישראל כ-51 מיליוני מ"ר למגורים ועוד כ-1.2 מיליוני מ"ר במגזר הציבורי, נעריך כי ניתן היה לחסוך בחשמל לו כל הבניינים היו מתוכננים בהתאם לדרישות ת"י 1045. בצורה גסה אך סבירה בהחלט אפשר להניח, שצריכת החשמל הסגולית לחימום בניינים ללא תכנון תרמי היא 100 וט"ש למ"ר, ואילו בבניינים מבודדים על פי התקן עומדת הצריכה הסגולית על 60 וט"ש למ"ר.
שטח מחומם של הבנייה בעשור האחרון הוא כ-30 מיליוני מ"ר ומשך החימום -500 שעות בשנה, דהיינו צריכת החשמל השנתית לחימום המבנים:
ללא תכנון תרמי - X30X500X100=1,500^610 מיליון קוט"ש לשנה
עם תכנון תרמי - X30X500X60=900^610 מיליון קוט"ש לשנה
החיסכון מוערך בכ-600 מיליון קוט"ש לשנה.
אשר לתועלת הלאומית מהקטנת פליטות Co2 כתוצאה מהפחתת צריכת אנרגיה לחימום/קירור מבנים, לו לכל המבנים שנבנו בעשור האחרון היה תכנון בידוד תרמי, ניתן היה לצפות להקטנת פליטת Co2 בתחנות כוח בכ -0.5 מיליוני טון בשנה. החיסכון השנתי, הודות לתכנון תרמי נכון של בנייני מגורים ומבני ציבור, מגיע ל-180 מיליון ש"ח בשנה לפחות (בניינים שהוקמו בעשר השנים אחרונות בלבד).
הערכת נזקים
לצערנו, המצב בשטח שונה. כולנו מכירים את התופעה של מבנה שחם בו בקיץ, וקר ולח בחורף, כשעל פני הקירות והתקרות נוצר עובש שלו השפעה שלילית על איכות האוויר בחדר. ידוע כי תופעות אלה גורמות לנזקים בריאותיים.
בשנים האחרונות חל גידול ניכר במספר התביעות המשפטיות בנושא ליקוי תכנון ובנייה ללא התייחסות לבידוד תרמי נזק שנגרם למשפחה במקרה זה נמדד בסכום ממוצע:
- הוצאות אנרגיה מיותרות -500-700 ש"ח בשנה
- תיקונים אסתטיים בדירה -2,500 ש"ח בשנה שנתיים
- נזקים בריאותיים שאף הם מתבטאים בסכומים לא מבוטלים בתביעות.
- כל זאת בנוסף לעובדה שבדרך כלל לא ניתן להוסיף בידוד תרמי לבניין קיים ללא הוצאות כבדות.
סיכום
תכנון תרמי של מערכת הבניין הוא חלק חשוב ובלתי נפרד מתכנון כולל של הבנייה.
בבניין שעבר תכנון תרמי לפי ת"י 1045 מובטחים חיסכון בהוצאות אנרגיה עד 60 % לקירור/חימום, רמת נוחות תרמית גבוהה, מניעת רטיבות ועובש על פני אלמנטים של הבניין.
תכנון תרמי של מעטפת הבניין מורכב משני שלבים: בשלב הראשון מתכננים את אלמנט המעטפת בנפרד (שכבות בחתך האלמנט: חומר ועובי). בשלב השני בודקים את האיכות התרמית של החלל כולו.
תכנון תרמי דורש התמחות מקצועית בתורת מעבר חום וידע כללי בכל הנוגע לתכונות תרמופיסיקליות של חומרי בנייה.
התעלמות מביצוע חישוב תרמי מפורט של בניין או מתן היתר בנייה על ידי הרשות ללא התייחסות לעמידת בניין/דירה בדרישות התקן מהווים עבירה על חוק התכנון והבנייה.