Ciepło właściwe gliny jest zwykle nieco wyższe niż betonu, ale o zdolności ściany do magazynowania energii decyduje także jej gęstość. Dlatego w praktyce trzeba rozróżnić samo ciepło właściwe od objętościowej pojemności cieplnej oraz od izolacyjności.
Glina i beton pełnią w budynku różne funkcje
Glina budowlana oraz beton mogą tworzyć masywne przegrody, lecz nie są materiałami o identycznych właściwościach. Beton zwykły jest przede wszystkim materiałem konstrukcyjnym o powtarzalnych parametrach i wysokiej nośności. Glina, zwłaszcza niewypalana, ma bardziej zmienny skład i porowatą strukturę. Jej przewagą nie jest sama wytrzymałość, lecz połączenie masy termicznej z higroskopijnością.
W przypadku domu całorocznego nie należy utożsamiać gliny z izolacją. Ubijana glina i ciężkie mieszanki gliniane magazynują ciepło, ale mogą również stosunkowo łatwo je przewodzić. Do ograniczenia strat potrzebna jest osobna warstwa izolacyjna albo bardzo lekka mieszanka z dużą ilością porów.
Parametry fizyczne gliny i betonu
Poniższe wartości mają charakter orientacyjny. Glina budowlana nie jest materiałem jednorodnym. Jej parametry zależą między innymi od udziału iłu, pyłu, piasku, włóknistych dodatków, wilgotności i stopnia zagęszczenia. Wartości dla betonu również zmieniają się zależnie od kruszywa i wilgotności.
| Materiał | Gęstość [kg/m³] | Ciepło właściwe [J/kg·K] | Przewodność cieplna λ [W/m·K] |
|---|---|---|---|
| Beton zwykły | około 2200–2400 | około 850–1000 | około 1,7–2,3 |
| Keramzytobeton | około 1400–1800 | około 850–1000 | około 0,9–1,1 |
| Glina ubijana | około 1600–2100 | około 900–1200 | około 1,0–1,7 |
| Glina lekka | około 300–1200 | około 1000–1500 | około 0,10–0,50 |
Ciepło właściwe określa ilość energii potrzebnej do ogrzania 1 kg materiału o 1 K. Nie mówi jednak, ile energii zgromadzi cała ściana. Do tego potrzebne są także masa i objętość. W uproszczeniu objętościowa pojemność cieplna jest iloczynem gęstości i ciepła właściwego. Ciężki beton może więc magazynować w jednym metrze sześciennym podobną albo większą ilość energii niż glina, mimo że glina ma wyższe ciepło właściwe w przeliczeniu na kilogram.
Keramzytobeton wymaga osobnego omówienia. Jest betonem lekkim, w którym część zwykłego kruszywa zastępuje porowaty keramzyt, czyli spieczona glina. Ma niższą gęstość i przewodność cieplną niż beton zwykły, ale jego pojemność cieplna objętościowa jest także mniejsza. Nie należy więc traktować go jako odpowiednika ciężkiej gliny ubijanej.
Co decyduje o akumulacji ciepła?
Akumulacja zależy od ilości materiału, jego ciepła właściwego, gęstości oraz zakresu zmian temperatury. Masywna ściana może pochłaniać energię z promieniowania słonecznego, ogrzewania lub cieplejszego powietrza, a następnie oddawać ją z opóźnieniem. Zjawisko to zwiększa bezwładność cieplną budynku i ogranicza gwałtowne wahania temperatury.
Beton zwykły ma wysoką gęstość i dlatego dobrze sprawdza się jako magazyn ciepła w stropach, posadzkach i ścianach wewnętrznych. Jego większa przewodność cieplna nie jest wadą dla samej akumulacji, ale utrudnia wykorzystanie go jako izolacyjnej ściany zewnętrznej. W takim układzie beton powinien znajdować się po stronie wewnętrznej, a od zewnątrz wymaga ciągłej izolacji termicznej.
Glina ubijana również ma dużą masę, lecz jej skład jest mniej przewidywalny. Glina lekka zachowuje część zdolności do akumulacji, a dzięki porom lepiej ogranicza przepływ ciepła. Im więcej słomy, zrębków, keramzytu lub innego lekkiego wypełniacza, tym mniejsza gęstość i pojemność cieplna, ale niższa przewodność cieplna. Jest to zawsze kompromis między masą a izolacyjnością.
Wilgotność, sorpcja i odczuwanie temperatury
Największa różnica między surową gliną a betonem dotyczy nie samego ciepła właściwego, lecz wymiany wilgoci. Gliniane powierzchnie mogą pochłaniać parę wodną przy wzroście wilgotności powietrza i oddawać ją, gdy powietrze staje się bardziej suche. Beton ma znacznie mniejszą zdolność do takiej buforowej regulacji, szczególnie gdy zostanie pokryty szczelnymi warstwami.
Proces sorpcji wiąże się z ciepłem sorpcji. Pochłanianiu wilgoci towarzyszy wydzielanie pewnej ilości energii, a wysychaniu – jej pobieranie. Nie jest to dodatkowe źródło ogrzewania, lecz cykliczny mechanizm łagodzący zmiany mikroklimatu. Dzięki niemu gliniana ściana może być odbierana jako mniej chłodna w wilgotnych warunkach.
Odczucie „ciepłej” ściany zależy również od szybkości odbierania ciepła z dłoni, czyli między innymi od przewodności i efuzywności cieplnej powierzchni. Porowata glina lekka zwykle nie odbiera energii ze skóry tak szybko jak gęsty beton. Nie oznacza to, że ma wyższą temperaturę. Oznacza jedynie, że kontakt z nią jest mniej intensywnie chłodzący.
Jak różnice wpływają na komfort mieszkańca?
W dobowym cyklu grzewczym oba materiały mogą stabilizować temperaturę, ale reagują powoli. Masywna ściana nie nagrzewa się natychmiast po uruchomieniu ogrzewania i nie stygnie od razu po jego wyłączeniu. Zyskiem jest mniejsza amplituda temperatur, a kosztem – ograniczona możliwość szybkiego sterowania.
Dla użytkownika najważniejsze konsekwencje są następujące:
- Beton zwykły dobrze magazynuje energię dzięki wysokiej gęstości, lecz jako ściana zewnętrzna wymaga izolacji termicznej.
- Glina ubijana zapewnia dużą masę termiczną, ale sama nie zastępuje ocieplenia w chłodnym klimacie.
- Glina lekka lepiej ogranicza przepływ ciepła niż glina ciężka, jednak wraz ze spadkiem gęstości traci część pojemności cieplnej.
- Keramzytobeton łączy funkcję konstrukcyjną z niższą przewodnością niż beton zwykły, ale w przegrodach zewnętrznych również zwykle współpracuje z izolacją.
W praktyce korzystny jest układ, w którym izolacja znajduje się po stronie zewnętrznej, a ciężkie warstwy akumulacyjne pozostają od strony wnętrza. Dotyczy to zarówno ścian betonowych, jak i glinianych. Przy projektowaniu trzeba sprawdzić nie tylko λ, lecz także współczynnik przenikania ciepła U całej przegrody, jej wilgotność oraz mostki termiczne.
Glina czy beton – co wynika z porównania?
Beton zwykły wygrywa tam, gdzie liczą się nośność, trwałość i powtarzalność parametrów. Jego duża gęstość sprzyja akumulacji, ale wysoka przewodność sprawia, że bez izolacji nie jest dobrym materiałem na energooszczędną ścianę zewnętrzną.
Glina może zapewniać podobny mechanizm akumulacji, a w wersji porowatej także łagodniejsze odczuwanie powierzchni i regulację wilgotności. Jej parametry wymagają jednak każdorazowego sprawdzenia, ponieważ zależą od receptury i wilgotności. Wybór między gliną a betonem nie sprowadza się więc do jednej wartości ciepła właściwego. Beton będzie zwykle właściwszy dla konstrukcji nośnej, a glina – gdy priorytetem są masa wewnętrzna i stabilny mikroklimat.
