הקדמה על בידוד תרמי של חלונות

מה זה חלונות תרמיים?

חלון תרמי פירושו חלון אשר מבודד מחום וקור בצורה טובה. החלונות התרמיים הקיימים בשוק הם בעיקר חלונות אשר המסגרת שלהם (משקוף וכנף) עשויים מחומר פולימרי (PVC/Vinyl), חלונות עץ, עץ-אלומיניום ופיברגלאס. ישנם גם חלונות העשויים אלומיניום עם שבר תרמי.

בידוד תרמי של חלונות

בידוד תרמי זה כמו תרמוס. כאשר אנחנו רוצים שהקפה שלנו ישאר חם לאורך זמן אנחנו שופכים אותו לתרמוס אשר שומר על החום שלו לאורך זמן. זה נעשה הודות לבידוד התרמי של התרמוס. גם בבית אנחנו רוצים שהחום (בימות החורף) ישאר בבית ולא "יברח" החוצה דרך החלונות, הדלתות, הקירות, הגג או הרצפה. כאן אתמקד בחלונות ודלתות כיוון שהתקנים לבניה בארץ בדרך כלל מתייחסים בצורה טובה לקירu,, גג ורצפה אך תחום החלונות והדלתות הוא יחסית פרוץ.

חוסר בידוד תרמי בחלונות ודלתות דורש מאיתנו הוצאות אנרגיה על מנת לקרר/לחמם את הבית. מעבר לכך זה לא נעים לחיות באקלים אשר דורש חימום וקירור מתמיד. יש לי ניסיון אישי רב בזה.
על מנת להתמודד עם בידוד של חלון עלינו להכיר את הדרכים בהם חום/קור יכולים להיכנס לבית.
מעבר אנרגיה (חום וקור) יכול להתרחש על ידי כל אחד מהדרכים הבאות (וכמובן גם צרוף שלהם):
הולכה.
קרינה.
הסעה.

אין צורך להיבהל מההגדרות הללו שמהנדסים נוטים להשתמש בהם. בעז"ה אסביר אותם בפירוט.

מה זה הולכה ואיך זה קשור לחלונות?

כשמו כן הוא. אנרגיה שהולכת ממקום למקום.
כאשר מניחים כפית עשויה מתכת בתוך סיר על האש, החום בסיר נוגע בכפית, והיא "הולכת" לכפית.
כלומר על מנת שתהיה הולכה יש צורך במגע.
במקרה של חלונות - האוויר החם/קר בחוץ נוגע בחלון. כתוצאה מכך החלון משנה את הטמפרטורה שלו וכתוצאה מכך האוויר בתוך הבית אשר צמוד לחלון משנה את הטמפרטורה שלו. האוויר הזה נע בתוך הבית כתוצאה מ"הסעה" (יוסבר בהמשך) ובסופו של דבר ,לאחר זמן מסוים, הטמפרטורה בחדר מתאזנת לכדי טמפ' מסוימת.

אם הסיפור הוא כל כך פשוט אז איך בידוד יכול לפתור לנו את הבעיה של המגע?
נחזור למשל של הכפית והסיר. כאשר מניחים כפית מברזל בתוך הסיר אז הכפית מתחממת די מהר ומגיעה בסופו של דבר קרוב לטמפ' של הסיר עצמו. לעומת זאת כאשר משתמשים בכף מפלסטיק ,או לפחות הידית מפלסטיק, הרי שכמעט ולא מרגישים בחום למרות שהכפית נוגעת בסיר!
מדוע זה כך?
זאת כיוון שלכל חומר יש הולכה שונה. זה הסוד הגדול של הבידוד ואסביר את הנקודה החשובה הזאת והמשפט העמום הזה "לכל חומר יש הולכה שונה".

לכל חומר יש הולכה תרמית שונה.

 על מנת להסביר את המשפט "לכל חומר יש הולכה שונה" נצטרך ללכת לתיאוריה הבסיסית של המדע ולהסביר אותה בפשטות על קצה המזלג (או הכפית).
אחד מגדולי הפיסיקאים של הדור הקודם בשם ריצ'ארד פיינמן כתב את הדברים הבאים "אם תבוא עלינו מקרה שבו כל הידע המדעי יושמד ורק משפט אחד יעבור לדור הבא של היצורים, איזה אמירה תכיל בתוכה כמות רבה ביותר של מידע בכמות הכי מעטה של מילים? אני מאמין שזהו התאוריה האטומית שכל הדברים עשויים מאטומים -חלקיקים קטנים אשר נעים בתנועה חוזרת על עצמה, נמשכים אחד לשני כאשר הם במרחק קטן מהשני אך נדחים אחד מהשני כאשר הם נדחסים אחד לתוך השני. במשפט זה אתה יכול לראות שיש המון מידע לגבי העולם אם רק מפעילים דמיון ומחשבה".

האטומים הם אבני הבניין אשר מהם בנוי כל חומר בעולם - כולל האוויר אותו אנו נושמים. לכל אטום תכונה מיוחדת. האטומים האלו נעים מעט כל הזמן. אטומים אלו יוצרים גם קבוצות ,הנקראים מולקולות, אשר גם להם יש תכונות מיוחדות.

כיוון שאנחנו לא בקורס בפיסיקה אני יקח דוגמא של שני סוגי חלונות וננסה לראות מה קורה כאשר אוויר חם נוגע בהם.
אני ישווה בין חלון אלומיניום סטדנרטי לבין חלון PVC (חומר שמזכיר פלסטיק). הכוונה היא כמובן למסגרת (משקוף וכנף) ולא לזכוכית עצמה.

חום ברמה האטומית הוא בעצם תנועת יתר של האטומים. התנועה היא כמו ילד שקשה לו לשבת והוא כל הזמן זז על הכסא שלו. מדוע תזזתיות גורמת להרגשת חום, או יותר נכון איזה מנגנון בגוף שלנו "מרגיש" חום? זאת שאלה מעניינת שקשורה יותר לביולוגיה ונניח אותה בצד לעת עתה.

כאשר האוויר חם, האטומים באוויר יותר תזזתיים (לא קשור לרוח - אנחנו לא מסוגלים להבחין במהירות של האטומים אלא רק בפועל היוצא של זה דהיינו חום וקור וכן לחץ). האטומיים התזזתיים באוויר החם פוגעים לדוגמא בחלון אלומיניום. הם גורמים לאטומים של האלומיניום גם כן לנוע יותר, סביב עצמם, ממה שהם נעו עד כה. בדומה לכדור בילארד שפוגע בכדור בילארד אחר. האטומים של האלומיניום פוגעים באטומים אחרים של אלומיניום ומניעים אותם וכך הלאה עד שהאנרגיה הזאת מגיעה (די מהר) לצד הפנימי של החלון שנמצא במגע עם האוויר בחדר. התהליך ממשיך, האטומיים התזזתיים באלומיניום גורמים לאטומים באוויר החדר לנוע יותר מהר. אטומים שנעים יותר מהר = חום.

אם כן, מה קורה בPVC? מדוע בחומר זה יקרה משהו שונה? זאת ועוד בהמשך.

מדוע חלון PVC מבודד טוב יותר מאשר חלון אלומיניום?

כפי שנכתב לעיל - הולכת חום היא תכונה של החומר. האטומים שמהם בנוי ה PVC לא מתנגשים טוב אחד עם השני ולכן לא מצליחים להעביר את התזוזה העצמית שלהם דהיינו חום אחד לשני בצורה יעילה.

לסיכום: הולכת חום היא תכונה של חומר. באופן כללי: אלומיניום וסוגי מתכת שונים מוליכים חום/קור (אנרגיה) בצורה טובה ואילו PVC, עץ ופיברגלאס לא מוליכים חום/קור בצורה כל כך טובה ולכן הם נקראים מבודדים.

שאלה: רוב המבנה של החלון עשוי זכוכית אז מדוע אני כל כך מדבר על אלומיניום ו PVC?
תשובה: ממש לא מדויק! חישוב פשוט יכול להראות שהחומר אשר סובב את הזכוכית (משקוף וכנף) יכולים להוות ,בחלון סטדנרטי, קרוב ל 40% מגודל החלון!

שאלה: אם זה כל כך פשוט ומדעי שחלונות אלומיניום מבודדים פחות טוב מאשר חלונות פי.וי.סי (PVC) או עץ מדוע אם כן רוב השוק בארץ הוא עשוי חלונות אלומיניום?
תשובה: את זה יש לשאול את הממשלה ואנשים שמתמחים בכוחות השוק. בכל המדינות המערביות ישנם חלונות פי.וי.סי, עץ או פיברגלאס. אפילו באיראן עברו מהפכה (הם אוהבים מהפכות) מחלונות אלומיניום לחלונות פי.וי.סי.

עד עכשיו דיברנו בקצרה על מעבר אנרגיה בצורה של הולכה. ישנה גם הסעה וקרינה.

מה זה הסעה ואיך זה קשור לבידוד של חלונות? 

הסעה הינו מעבר אנרגיה שנוסע ממקום למקום. במקרה שלנו האוויר נוסע ממקום למקום.

במקרה של חלונות זה מתבטא בעיקר בשני מקרים.

המקרה הראשון הוא הטמפרטורה של החדר. איך האוויר בחדר מתקרר או מתחמם כתוצאה מהחום בחוץ? אם תגידו שהחום עובר מהאוויר שנוגע באוויר ,דהיינו הולכה, אזי זה לא כזה פשוט כיוון שתתפלאו לשמוע שאוויר הוא חומר מבודד מצוין. הוא לא מוליך כל כך טוב. אנחנו גם משתמשים בו לבידוד בין הזכוכיות.

אז זה הולך כך: האוויר בתוך הבית אשר צמוד לחלון כן משתנה בעקבות הטמפרטורה של החלון ואז הוא מתחיל לנוע למטה. אוויר קר יורד ואילו חם עולה. האוויר הקר יורד למטה ובמקומו הגיע אוויר חם אשר גם מתקרר ואז הוא יורד למטה ומפנה את מקומו לאוויר חם אחר אשר מתקרר וכך הלאה. האוויר מתחיל לעשות סירקולציות בתוך החדר עד אשר החדר כולו מגיע לטמפרטורה יציבה.
אחד הפתרונות לניצול ההסעה של האוויר הוא חלונות גבוהים שפותחים אותם בקיץ. כך האוויר החם שלמעלה יוצא החוצה. נדון בכך במקום אחר כאשר נדון במיקום החלונות בבית.

המקרה השני שבו ההסעה קשורה לחלונות זה הבידוד בין הזכוכיות של החלון. אחד החומרים המבודדים הטובים והזולים הינו אוויר. אם כן תשאלו מדוע כאשר קר בחוץ, הקור חודר הביתה? ובכן, אני ממליץ כי תקראו שוב את מה שכתבתי לעיל אך בקצרה אכתוב כי המעבר הוא בעיקר בצורה של הסעה. אם לא תהיה הסעה אז האוויר יבודד היטב. לכן חשוב כי ההסעה בין הזכוכיות תהיה מאד קטנה. מה שקורה בפועל כאשר קר בחוץ הוא שהזכוכית החיצונית של החלון מתקררת. הזכוכית החיצונית מקררת את האוויר שנוגע בה (הלכוד בין הזכוכיות). עכשיו השאלה היא האם האוויר שנוגע בזכוכית החיצונית יעבור ויסע אל עבר הזכוכית הפנימית. זה תלוי בהרבה פרמטרים אך אחד החשובים שבהם זה המרווח בין הזכוכיות. מצאו כי מרווח אופטימלי הוא 12-16 מילימטר.

קרינת השמש דרך החלון

עד כה הזכרנו הולכה והסעה. הדרך הנוספת של חימום הבית הוא על ידי קרינת השמש. אף אם לא היה אוויר בחוץ והיינו גרים בתחנת חלל חלונות, עדיין קרני השמש היו מחממים את פנים הבית על ידי קרינה. הקרינה בעיקר עוברת דרך הזכוכית של החלון. קרני השמש הם בעצם גלים חשמליים כאשר יש אורכים שונים לגלים אלו. הגלים הארוכים יותר נקראים אינפרא אדום והם בעיקר תורמים לחימום הבית. הגלים הבינוניים הם הגלים המאפשרים לנו לראות והם בכל גווני הקשת: אדום עד סגול. מעבר לכך ישנם יותר קצרים דהיינו האולטרא סגול אשר מזיקים לעור וגם לספות ושאר החפצים בבית.
אחד הפונקציות העיקריות של חלון הוא לאפשר מעבר אור דרכו ולכן אנחנו לא רוצים זכוכית אטומה. אך בהרבה מקרים ,בעיקר בקיץ, כמות האור שנכנסת לבית היא יותר מהדרוש.
ישנם כל מיני פתרונות להפחתת הקרינה לבית ונמנה שלושה עיקריים:
זכוכית עם ציפוי LowE.
צלון.
סככה מעל החלון.

חלון LowE

זה קיצור ל Low Emissivity. 

לא נכנס להגדרה המדויקת מבחינה פיסיקלית אלא נתייחס בהקשר של החלונות:

כאשר השמש מאירה על הזכוכית של החלון אז חלק מהאור עובר דרך הזכוכית, חלק מוחזר וחלק נבלע (כן - נבלע). 

הזכוכית בולעת חלק מהאנרגיה של השמש ואז במנגנון מסוים פולטת אותו לכל הכיוונים - כולל לתוך הבית. 

זכוכית עם Low E פועלת בדומה למראה. זאת זכוכית שלא בולעת הרבה אנרגיית קרינה ובמקום זאת היא מחזירה אותו חזרה.

ככל שה Low E יותר טוב כך הוא מחזיר יותר אנרגיית חום חזרה.

אך מה ההבדל הגדול בינו לבין מראה? מראה מחזירה בעיקר את האור הנראה ואילו הרעיון בזכוכית עם ציפוי LowE הוא החזרה בעיקר של האור (הקרינה) המחמם ולתת מעבר לכמה שיותר אור נראה.

זה גם יכול לעבוד בכיוון ההפוך, אם מחממים את הבית ומעוניינים שהקרינה של חימום הבית תשאר בפנים אז זכוכית זאת יכולה לעזור. זאת נקודה חשובה כיוון שרוב החלונות Low E שמגיעים מחו"ל הם מכוונים למטרה של שמירת חימום הבית ולכן הציפוי Low E נמצא על הזכוכית הפנימית. בארץ, רוב הבעייה היא חימום יתר בקיץ בעקבות קרינת השמש ולכן חשוב לדרוש שהציפוי יהיה בזכוכית החיצונית.

כדי לגרום לאפקט זה ישנו ציפוי מיוחד על הזכוכיות. זה לא הציפוי שיש במכוניות על מנת להחשיך את החלון אלא ציפוי הרבה יותר איכותי וטוב כיוון שהוא גם מאשפר להרבה מהאור הנראה לחדור פנימה על מנת להאיר את הבית אך מונע מאורכי הגל האחרים ,אשר גורמים בעיקר לחימום, לא לחדור.

זהו פתרון ממולץ לחלונות על מנת למנוע חימום יתר בקיץ - בעיקר בחלונות הפונים דרומה.

ישנם שני סוגי ציפויים: רך וקשה.

האם זה תורם לבידוד? זאת שאלה מסובכת. ישנם כמה צורות בהם אנרגיית החום יכולה לעבור ואחת מהם היא קרינה. בדרך כלל כאשר מדברים על מדד של בידוד החלון (U-Value) אין הכוונה לקרינה אלא למעבר על ידי הולכה. בצורה זאת התרומה של חלונות Low E נמוכה.
כמובן שבצורה של מעבר אנרגיה על ידי קרינה היא מאד חשובה וחשוב גם להתייחס לזה.
בחו"ל נהוג לכתוב על כל חלון גם את כמות הקרינה העוברת דרך החלון.

סיכום ביניים 

הזכרנו שלושה דרכים למעבר חום (אותו דבר לגבי קור) דרך החלונות בבית:

1. הולכה: אוויר חם נוגע בחלון ומחמם אותו והחלון מחמם את האוויר שנוגע בו הנמצא בתוך הבית. על מנת להתמודד עם זה יש בעיקר לבחור פרופיל בעל הולכה נמוכה כדוגמת חלונות פולימרים, עץ, פיברגלרס וכדו'.
2. הסעה: האוויר החם נוטה לנוע למעלה וכאשר הוא מתקרר הוא יורד למטה וכך יוצר תנועה מעגלית. מרווח אופטימלי של 16 מ"מ בין הזכוכיות של החלון יקטין הסעה בין הזכוכיות. התקנת חלונות גבוהים יאוורר את החדר באופן טבעי ויתן אפשרות לאוויר החם לצאת החוצה.
3. קרינה: מעבר קרני השמש דרך הזכוכית של החלון אל תוך הבית. קרני השמש בעלי ספקרום של אורכי גל אשר חלקם יותר מחממים ואותם ניתן למנוע על ידי: ציפוי מתאים על החלון (בעיקר LowE), צלון או סככה קטנה מעל החלון שמאפשרת רק לזוויות מסוימת של קרינת השמש להיכנס.