Na początku grudnia, przez dwa tygodnie, Poznań gościł 12 tysięcy uczestników z całego świata na wielkim pikniku zorganizowanym pod hasłem „globalnego ocieplania”. Dużym powodzeniem cieszyły się specjalne czapki i szaliki, bo jakby wbrew przepowiedniom, klimat się jeszcze nie ocieplił.
Analiza średniej temperatury Ziemi pokazuje, że od 2000 roku zmiany są niewielkie i to raczej średnia temperatura się obniża, ale nie zbiło to z tropu mentorów „ocieplenia”. Twierdzą dalej zgodnie, że to obserwowane obniżenie temperatury zaciemnia tylko naturalny trend jej wzrostu. Za chwilę usłyszymy, że obserwowany kierunek biegu rzek z gór do morza zaciemnia tylko „naturalną” skłonność wody do płynięcia pod górę.
Ciepło jest tym rodzajem energii, na którą zamieniają się w końcowym rezultacie wszystkie inne rodzaje energii. Odpowiednia ilość ciepła w otoczeniu jest niezbędna do prawidłowych przemian w żywych organizmach. Ludzie, tak jak prawie wszystkie gatunki świata roślinnego i zwierzęcego wyrośli w klimacie, gdzie średnia temperatura była i jest kilkanaście stopni wyższa niż na terenach, na których my teraz mieszkamy.
Zasiedlenie terenów Europy i Północnej Ameryki spowodowane było brakiem miejsca do życia dla powiększającej się liczebności społeczeństw, a nie ucieczką przed wysokimi temperaturami. Tak czy inaczej, nie mogąc się doczekać w Chicago klimatu Florydy lub Arizony, ci których na to stać, przenoszą się na lata emerytury w „ciepłe kraje” a pozostali na miejscu łapią ciepło, jak tylko się da.
Aby uchronić się przed niskimi temperaturami, ludzie nauczyli się konstruować budynki, w których temperatura nie poddaje się tak szybkim zmianom, jakie serwuje nam klimat. Nasze mieszkania zostały zbudowane już zgodnie z wymaganiami odpowiedniej izolacji i niewiele da się poprawić, lecz dobrze jest wiedzieć, jak i dlaczego chronione jest ciepło we wnętrzach.
Dla fizyków „zimno” nie istnieje. Można mówić tylko o mniejszej lub większej ilości ciepła w otoczeniu. Zimne powietrze, zimna ziemia, to wynik mniejszej ilości ciepła uzyskanego od Słońca i ucieczka w przestrzeń tego ciepła, które było zmagazynowane. Aby zapewnić stabilność temperatury, czyli niewielkie tylko zmiany w otoczeniu, w którym przebywamy, należy oprócz lokalnego ogrzewania, stosować odpowiednią izolację cieplną.
Ciepło, które definiowane jest jako energia poruszających się (drgających) cząstek materii, przemieszcza się wieloma sposobami. W ciałach stałych dominuje przewodzenie ciepła, czyli drgające cząstki przekazują swoją energię sąsiednim. W metalach, oprócz przekazywania drgań, swobodne elektrony krążąc pomiędzy kryształami szybciej wymieniają energię i dlatego metale dużo lepiej przewodzą ciepło.
Podobnie w cieczach i gazach, z tym, że cząsteczki nie będąc związane sztywno w swoim sąsiedztwie, mogą się swobodnie przemieszczać. Nazywamy to unoszeniem ciepła – konwekcją. Ruch konwekcyjny możemy dostrzec w wodzie podgrzewanej w szklanym naczyniu oraz w dymie unoszącym się nad ogniskiem.
Jeszcze inny jest mechanizm przekazywania ciepła na odległość – promieniowanie elektromagnetyczne. Są to fale rozchodzące się w przestrzeni nawet na duże odległości, które wytwarzane są przez poruszające się, elektrycznie naładowane cząsteczki i docierając do innych cząsteczek wzbudzają ich ruch. Tak dociera do nas ciepło od Słońca, a także od palącego się drewna w kominku.
Promieniowanie cieplne powstaje wszędzie. Promieniuje również nasze ciało i gdy nie otrzymujemy równoważnej ilości promieniowania cieplnego z otoczenia, czujemy na skórze chłód. Wiemy z doświadczenia, że gdy staniemy przed szybą oglądając zaśnieżony krajobraz, czujemy na twarzy chłód, mimo że w pomieszczeniu jest ciepłe powietrze.
W przeciętnym budynku, najwięcej ciepła wymieniane jest przez ściany i stropy. Odpowiednia izolacja ścian jest wymagana przepisami budowlanymi i na tym nie powinno się oszczędzać, gdyż później odbija się to na kieszeni mieszkańców, płacących za ogrzewanie. Oczywiście, budowniczy dba tylko o własną kieszeń i będzie izolował budynek tylko tak, aby inspekcja „przeszła”. Później już nie on płaci.
W Ameryce powszechnie jest używany współczynnik izolacji ”R”. Jest on definiowany, jako różnica temperatur pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną stroną przegrody, przez której stopę kwadratową przechodzi w czasie godziny jednostka ciepła Btu. British termal unit jest z kolei definiowany jako ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 funta wody o 1 stopień Fahrenheita. Może to trochę skomplikowane i potrzebne głównie inżynierom i architektom, lecz nam wystarczy wiedzieć, że im wyższa liczba R to lepsza izolacja.
Najlepszym izolatorem jest próżnia – nie ma w niej cząsteczek materii, nie ma co drgać i ciepło nie jest przenoszone. Jedyna droga wymiany ciepła przez próżnię to promieniowanie. Zapobiega się temu stosując powierzchnie lustrzane (odbijające promieniowanie). Termosy – naczynia o podwójnych posrebrzanych ściankach, spomiędzy których wypompowano powietrze, mogą utrzymywać temperaturę kawy przez długie godziny.
Również powietrze, którego cząsteczki są setki razy bardziej rozrzedzone niż w cieczach i ciałach stałych, jest słabym przewodnikiem ciepła, pod warunkiem, że jest nieruchome. Przewodzenie innych gazów zależy od masy ich cząsteczek. Wodór i hel, których cząsteczki są małe i bardzo ruchliwe, przewodzą ciepło dużo szybciej niż ciężkie gazy takie jak ksenon czy krypton. Od wielu lat, pomiędzy szybami szczelnych, podwójnych okien jest albo bardzo rozrzedzone powietrze (ale wtedy szyby się wyginają) lub wpompowywany jest tam czterokrotnie cięższy od powietrza ksenon, który jednak kosztuje około $10 za litr. Większość materiałów izolacyjnych to uwięzione w małych przestrzeniach gazy. Popularne są płyty spienionego polistyrenu (styropian), którego własności izolacyjne zawdzięczamy właśnie banieczkom gazu – najlepiej, gdy jest to ciężki i zupełnie nieaktywny chloro-fluoro-carbon (CFC).
Najtańszymi materiałami izolacyjnymi używanymi w budownictwie są waty mineralne lub szklane. Waty mineralne produkuje się najczęściej z bazaltowych skał, topiąc je w temperaturze 1600 stopni Celsjusza i potem odwirowując tak, jak wytwarza się na piknikach watę cukrową. Są też szybsze i tańsze metody „rozdmuchiwania” stopionego bazaltu sprężonym powietrzem lub parą wodną. Watę izolacyjną robi się też ze szkła, ale jest bardziej drażniąca dla skóry i płuc, a są podejrzenia, że może powodować raka. Jako izolacje stosuje się też waty z włókien roślinnych oraz arkusze korkowe, lecz są one łatwo atakowane przez bakterie gnilne i pleśnie.
Czynnikiem izolującym w wacie mineralnej jest zatrzymane w niej powietrze. Nie są to zamknięte przestrzenie jak w spienionych plastikach, lecz ruch powietrza jest bardzo utrudniany przez cienkie włókna (grubości poniżej setnej części milimetra). Znamy arkusze waty mineralnej o współczynniku izolacji R-11, R19, R-30, każdy z tych rodzajów waty musi zajmować właściwą sobie przestrzeń.
Jeżeli watę R-19 przeznaczoną dla 6. calowej przestrzeni ściśniemy i włożymy pomiędzy 4. calowe ścianki gipsu, to współczynnik izolacji będzie nawet gorszy od waty R-11 umieszczonej w tej przestrzeni. Trzeba pamiętać, że same włókna mineralne przewodzą ciepło zupełnie dobrze, a izoluje tylko wypełniające tę przestrzeń powietrze. Aby zatrzymać przepływ powietrza, jedna strona maty pokrywana jest uszczelnionym papierem.
Ważne jest, aby wewnątrz ściany nie gromadziła się wilgoć. Mokra wa
ta mineralna zaczyna dużo szybciej przewodzić ciepło i współczynnik izolacji maleje. Praktykowane jest izolowanie wewnętrznych ścian folią plastikową, co dodatkowo uszczelnia ściany zatrzymując wymianę powietrza. Zbyt szczelny dom nie jest jednak przyjemny. Brak dostępu suchego, zimowego powietrza z zewnątrz powoduje osadzanie się nadmiaru wilgoci na wewnętrznych ścianach i rozwój pleśni.
Najlepszą, ale i najdroższą izolacją termiczną jest natryskiwana pianka poliuretanowa, taka, jaką stosuje się w ściankach lodówek i zamrażalników. Pianka ta rozpręża się i twardnieje na powietrzu dodatkowo wypełniając nieszczelności zewnętrznych ścian budynku.
Typowa płyta gipsowa (drywall) też izoluje, lecz 20-30 razy słabiej od waty. Jedyną jej zaletą jest ograniczenie przepływu powietrza przez ściany, które wykonane na przykład tylko z desek (boazeria) przepuszczałyby, przez szczeliny do wnętrza, zbyt duże ilości zimnego powietrza.
Najwięcej ciepła ucieka przez okna. Jest to ucieczka zarówno przez dobrze przewodzące tafle szklane, jak i przez promieniowanie. Pogrubianie tafli niewiele pomaga, lepiej stosować dwie lub trzy szyby rozdzielone powietrzem (lub ciężkim gazem). Najtrudniej zatrzymać ucieczkę ciepła przez promieniowanie, bo przecież szyby powinny być przeźroczyste. Są znane substancje dodawane do szkła, które powodują, że przepuszczane jest światło, ale zatrzymywane jest promieniowanie podczerwone (cieplne). Szyby wyglądają jednak na trochę przyciemnione i podkolorowane.
Również półprzepuszczalne powierzchnie lustrzane ograniczają ucieczkę ciepła. W wielu budynkach o dużych powierzchniach okien, szyby wyglądają jak lustra. Lustrzane folie przykleja się również do izolacji wewnątrz ścian i stropów, co niewielkim, dodatkowym kosztem ogranicza ucieczkę ciepła przez promieniowanie.
Na rodzaj już zainstalowanych okien nie mamy wielkiego wpływu, wymiana jest kosztowna. Są jednak sposoby ograniczenia ucieczki ciepła tą drogą, co podpowiedzieli mi przyjaciele. W wielu sklepach sprzedawane są zestawy przeźroczystej plastikowej folii i dwustronnie przylepnej taśmy.
Przyklejenie tej folii na framudze okna dodaje do okna warstwę powietrza, która izoluje zimną powierzchnię szyby od ciepłego powietrza wewnątrz domu. Folia jest z tego gatunku, który kurczy się w cieple i po zainstalowaniu folia podgrzana suszarką do włosów napręża się i jest praktycznie niewidoczna. Można tak zabezpieczyć okna nieotwierane przez zimę, a nawet pozostawić folię w niektórych oknach przez lato (chroni to wtedy przed przepływem ciepła w drugą stronę). Jedyny kłopot – to trudność mycia szyb.
Rozpowszechnione w świecie hasło ”globalnego ocieplania” szybko nie ucichnie. Przez wiele lat będziemy świadkami międzynarodowych „konferencji – pikników”, na których tysiące uczestników opłacanych z naszych podatków będzie dyskutowało, czy już jest cieplej, czy jeszcze nie. Niech sobie myślą, że chronią Ziemię. Za naszego życia zmiany klimatu na lepszy (cieplejszy) nie doczekamy się na pewno. A jeżeli nie możemy jeszcze pozwolić sobie na wyjazd do cieplejszych krajów, pozostanie nam chronić to ciepło, które teraz kupujemy za coraz większe pieniądze.
(ami) Typowa izolacja wewn'trz =cian w USA to wata z rozto* pionych ska; bazaltowych.
Redakcja
