Как рассчитать теплопотери дома из бруса. Идеальный дом: расчет теплопотерь дома. Гидравлический расчет системы отопления
Чтобы ваш дом не оказался бездонной ямой для расходов на отопление, предлагаем изучить базовые направления теплотехнических изысканий и методологию расчётов. Без предварительного расчёта тепловой проницаемости и влагонакопления теряется вся суть жилищного строительства.
Физика теплотехнических процессов
Различные области физики имеют много схожего в описании явлений, которые ими изучаются. Так и в теплотехнике: принципы, описывающие термодинамические системы, наглядно перекликаются с основами электромагнетизма, гидродинамики и классической механики. В конце концов, речь идёт об описании одного и того же мира, поэтому не удивительно, что модели физических процессов характеризуются некоторыми общими чертами во многих областях исследований.
Суть тепловых явлений понять легко. Температура тела или степень его нагрева есть не что иное, как мера интенсивности колебаний элементарных частиц, из которых это тело состоит. Очевидно, что при столкновении двух частиц та, у которой энергетический уровень выше, будет передавать энергию частице с меньшей энергией, но никогда наоборот. Однако это не единственный путь обмена энергией, передача возможна также посредством квантов теплового излучения. При этом базовый принцип обязательно сохраняется: квант, излученный менее нагретым атомом, не в состоянии передать энергию более горячей элементарной частице. Он попросту отражается от неё и либо пропадает бесследно, либо передаёт свою энергию другому атому с меньшей энергией.
Термодинамика хороша тем, что происходящие в ней процессы абсолютно наглядны и могут интерпретироваться под видом различных моделей. Главное — соблюдать базовые постулаты, такие как закон передачи энергии и термодинамического равновесия. Так что если ваше представление соответствует этим правилам, вы легко поймёте методику теплотехнических расчётов от и до.
Понятие сопротивления теплопередаче
Способность того или иного материала передавать тепло называется теплопроводностью. В общем случае она всегда выше, чем больше плотность вещества и чем лучше его структура приспособлена для передачи кинетических колебаний.
Величиной, обратно пропорциональной тепловой проводимости, является термическое сопротивление. У каждого материала это свойство принимает уникальные значения в зависимости от структуры, формы, а также ряда прочих факторов. Например, эффективность передачи тепла в толще материалов и в зоне их контакта с другими средами могут отличаться, особенно если между материалами есть хотя бы минимальная прослойка вещества в другом агрегатном состоянии. Количественно термическое сопротивление выражается как разница температур, разделённая на мощность теплового потока:
R t = (T 2 - T 1) / P
- R t — термическое сопротивление участка, К/Вт;
- T 2 — температура начала участка, К;
- T 1 — температура конца участка, К;
- P — тепловой поток, Вт.
В контексте расчёта теплопотерь термическое сопротивление играет определяющую роль. Любая ограждающая конструкция может быть представлена как плоскопараллельная преграда на пути теплового потока. Её общее термическое сопротивление складывается из сопротивлений каждого слоя, при этом все перегородки складываются в пространственную конструкцию, являющуюся, собственно, зданием.
R t = l / (λ·S)
- R t — термическое сопротивление участка цепи, К/Вт;
- l — длина участка тепловой цепи, м;
- λ — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К);
- S — площадь поперечного сечения участка, м 2 .
Факторы, влияющие на теплопотери
Тепловые процессы хорошо коррелируют с электротехническими: в роли напряжения выступает разница температур, тепловой поток можно рассматривать как силу тока, ну а для сопротивления даже своего термина придумывать не нужно. Также в полной степени справедливо и понятие наименьшего сопротивления, фигурирующего в теплотехнике как мостики холода.
Если рассматривать произвольный материал в разрезе, достаточно легко установить путь теплового потока как на микро-, так и на макроуровне. В качестве первой модели примем бетонную стену, в которой по технологической необходимости выполнены сквозные крепления стальными стержнями произвольного сечения. Сталь проводит тепло несколько лучше бетона, поэтому мы можем выделить три основных тепловых потока:
- через толщу бетона
- через стальные стержни
- от стальных стержней к бетону
Модель последнего теплового потока наиболее занимательна. Поскольку стальной стержень прогревается быстрее, то ближе к наружной части стены будет наблюдаться разница температур двух материалов. Таким образом, сталь не только «перекачивает» тепло наружу сама по себе, она также увеличивает тепловую проводимость прилегающих к ней масс бетона.
В пористых средах тепловые процессы протекают похожим образом. Практически все строительные материалы состоят из разветвлённой паутины твёрдого вещества, пространство между которым заполнено воздухом. Таким образом, основным проводником тепла служит твёрдый, плотный материал, но за счёт сложной структуры путь, по которому распространяется теплота, оказывается больше поперечного сечения. Таким образом, второй фактор, определяющий термическое сопротивление, это неоднородность каждого слоя и ограждающей конструкции в целом.
Третьим фактором, влияющим на теплопроводность, мы можем назвать накопление влаги в порах. Вода имеет термическое сопротивление в 20-25 раз ниже, чем у воздуха, таким образом, если она наполняет поры, в целом теплопроводность материала становится даже выше, чем если бы пор вообще не было. При замерзании воды ситуация становится ещё хуже: теплопроводность может возрасти до 80 раз. Источником влаги, как правило, служит комнатный воздух и атмосферные осадки. Соответственно, три основных метода борьбы с таким явлением — это наружная гидроизоляция стен, использование парозащиты и расчёт влагонакопления, который обязательно производится параллельно прогнозированию теплопотерь.
Дифференцированные схемы расчёта
Простейший способ установить размер тепловых потерь здания — суммировать значения теплового потока через конструкции, которыми это здание образовано. Такая методика полностью учитывает разницу в структуре различных материалов, а также специфику теплового потока сквозь них и в узлах примыкания одной плоскости к другой. Такой дихотомический подход сильно упрощает задачу, ведь разные ограждающие конструкции могут существенно отличаться в устройстве систем теплозащиты. Соответственно, при раздельном исследовании определить сумму теплопотерь проще, ведь для этого предусмотрены различные способы вычислений:
- Для стен утечки теплоты количественно равны общей площади, умноженной на отношение разницы температур к тепловому сопротивлению. При этом обязательно берётся во внимание ориентация стен по сторонам света для учёта их нагрева в дневное время, а также продуваемость строительных конструкций.
- Для перекрытий методика та же, но при этом учитывается наличие чердачного помещения и режим его эксплуатации. Также за комнатную температуру принимается значение на 3-5 °С выше, расчётная влажность тоже увеличена на 5-10%.
- Теплопотери через пол рассчитывают зонально, описывая пояса по периметру здания. Связано это с тем, что температура грунта под полом выше у центра здания по сравнению с фундаментной частью.
- Тепловой поток через остекление определяется паспортными данными окон, также нужно учитывать тип примыкания окон к стенам и глубину откосов.
Q = S · (Δ T / R t)
- Q —тепловые потери, Вт;
- S — площадь стен, м 2 ;
- ΔT — разница температур внутри и снаружи помещения, ° С;
- R t — сопротивление теплопередаче, м 2 ·°С/Вт.
Пример расчёта
Прежде чем перейти к демонстрационному примеру, ответим на последний вопрос: как правильно рассчитать интегральное термическое сопротивление сложных многослойных конструкций? Это, конечно, можно сделать вручную, благо, что в современном строительстве используется не так много типов несущих оснований и систем утепления. Однако учесть при этом наличие декоративной отделки, интерьерной и фасадной штукатурки, а также влияние всех переходных процессов и прочих факторов достаточно сложно, лучше воспользоваться автоматизированными вычислениями. Один из лучших сетевых ресурсов для таких задач — smartcalc.ru , который дополнительно составляет диаграмму смещения точки росы в зависимости от климатических условий.
Для примера возьмём произвольное здание, изучив описание которого читатель сможет судить о наборе исходных данных, необходимых для расчёта. Имеется одноэтажный дом правильной прямоугольной формы размерами 8,5х10 м и высотой потолков 3,1 м, расположенный в Ленинградской области. В доме выполнен неутеплённый пол по грунту досками на лагах с воздушным зазором, высота пола на 0,15 м превышает отметку планирования грунта на участке. Материал стен — шлаковый монолит толщиной 42 см с внутренней цементно-известковой штукатуркой толщиной до 30 мм и наружной шлаково-цементной штукатуркой типа «шуба» толщиной до 50 мм. Общая площадь остекления — 9,5 м 2 , в качестве окон использован двухкамерный стеклопакет в теплосберегающем профиле с усреднённым термическим сопротивлением 0,32 м 2 ·°С/Вт. Перекрытие выполнено на деревянных балках: снизу оштукатурено по дранке, заполнено доменным шлаком и сверху укрыто глиняной стяжкой, над перекрытием — чердак холодного типа. Задача расчёта теплопотерь — формирование системы теплозащиты стен.
Первым делом определяются тепловые потери через пол. Поскольку их доля в общем оттоке тепла наименьшая, а также по причине большого числа переменных (плотность и тип грунта, глубина промерзания, массивность фундамента и т. д.), расчёт теплопотерь проводится по упрощённой методике с использованием приведённого сопротивления теплопередаче. По периметру здания, начиная от линии контакта с поверхностью земли, описывается четыре зоны — опоясывающих полосы шириной по 2 метра. Для каждой из зон принимается собственное значение приведённого сопротивления теплопередаче. В нашем случае имеется три зоны площадью по 74, 26 и 1 м 2 . Пусть вас не смущает общая сумма площадей зон, которая больше площади здания на 16 м 2 , причина тому — двойной пересчёт пересекающихся полос первой зоны в углах, где теплопотери значительно выше по сравнению с участками вдоль стен. Применяя значения сопротивления теплопередаче в 2,1, 4,3 и 8,6 м 2 ·°С/Вт для зон с первой по третью, мы определяем тепловой поток через каждую зону: 1,23, 0,21 и 0,05 кВт соответственно.
Стены
Используя данные о местности, а также материалы и толщину слоёв, которыми образованы стены, на упомянутом выше сервисе smartcalc.ru нужно заполнить соответствующие поля. По результатам расчёта сопротивление теплопередаче оказывается равным 1,13 м 2 ·°С/Вт, а тепловой поток через стену — 18,48 Вт на каждом квадратном метре. При общей площади стен (за вычетом остекления) в 105,2 м 2 общие теплопотери через стены составляют 1,95 кВт/ч. При этом потери тепла через окна составят 1,05 кВт.
Перекрытие и кровля
Расчёт теплопотерь через чердачное перекрытие также можно выполнить в онлайн-калькуляторе, выбрав нужный тип ограждающих конструкций. В результате сопротивление перекрытия теплопередаче составляет 0,66 м 2 ·°С/Вт, а потери тепла — 31,6 Вт с квадратного метра, то есть 2,7 кВт со всей площади ограждающей конструкции.
Итого суммарные теплопотери согласно расчётам составляют 7,2 кВт·ч. При достаточно низком качестве строительных конструкций здания этот показатель очевидно сильно ниже реального. На самом деле такой расчёт идеализирован, в нём не учтены специальные коэффициенты, продуваемость, конвекционная составляющая теплообмена, потери через вентиляцию и входные двери. В действительности, из-за некачественной установки окон, отсутствия защиты на примыкании кровли к мауэрлату и плохой гидроизоляции стен от фундамента реальные теплопотери могут быть в 2 или даже 3 раза больше расчётных. Тем не менее, даже базовые теплотехнические исследования помогают определиться, будут ли конструкции строящегося дома соответствовать санитарным нормам хотя бы в первом приближении.
Напоследок дадим одну важную рекомендацию: если вы действительно хотите получить полное представление о тепловой физике конкретного здания, необходимо использовать понимание описанных в этом обзоре принципов и специальную литературу. Например, очень хорошим подспорьем в этом деле может стать справочное пособие Елены Малявиной «Теплопотери здания», где весьма подробно объяснена специфика теплотехнических процессов, даны ссылки на необходимые нормативные документы, а также приведены примеры расчётов и вся необходимая справочная информация.
Точный расчет теплопотерь дома - занятие кропотливое и небыстрое. Для его производства необходимы исходные данные, включая размеры всех ограждающих конструкций дома (стен, дверей, окон, перекрытий, полов).
Для однослойных и/или многослойных стен, а также перекрытий коэффициент теплопередачи несложно вычислить путем деления коэффициента теплопроводности материала на толщину его слоя в метрах. Для многослойной конструкции общий коэффициент теплопередачи будет равен величине, обратной сумме теплосопротивлений всех слоев. Для окон можно воспользоваться таблицей теплотехнических характеристик окон.
Стены и полы, лежащие на грунте, рассчитываются по зонам, поэтому в таблице необходимо создавать отдельные строки для каждой из них и указывать соответствующий коэффициент теплопередачи. Разделение по зонам и значения коэффициентов указаны в правилах обмера помещений .
Графа 11. Основные теплопотери. Здесь производится авторасчет основных теплопотерь на основе введенных данных в предыдущих ячейках строки. В частности, используются Разность температур, Площадь, Коэффициент теплопередачи и Коэффициент положения. Формула в ячейке:
Графа 12. Добавка на ориентацию.
В этой графе производится авторасчет добавки на ориентацию. В зависимости от содержимого ячейки Ориентация вставляется соответствующий коэффициент. Формула расчета ячейки выглядит так:
ЕСЛИ(H9="В";0,1;ЕСЛИ(H9="ЮВ";0,05;ЕСЛИ(H9="Ю";0;ЕСЛИ(H9="ЮЗ";0;ЕСЛИ(H9="З";0,05;ЕСЛИ(H9="СЗ";0,1;ЕСЛИ(H9="С";0,1;ЕСЛИ(H9="СВ";0,1;0))))))))
Эта формула вставляет в ячейку коэффициент по следующей схеме:
- Восток - 0.1
- Юго-восток - 0.05
- Юг - 0
- Юго-запад - 0
- Запад - 0.05
- Северо-запад - 0.1
- Север - 0.1
- Северо-восток - 0.1
Графа 13. Добавка прочая. Здесь вводится коэффициент добавки при расчете пола или дверей в соответствии с условиями в таблице:
Графа 14. Теплопотери. Здесь окончательный расчет теплопотерь ограждения по данным строки. Формула ячейки:
По мере расчетов можно создавать ячейки с формулами суммирования теплопотерь по помещениям и выведение суммы теплопотерь всех ограждений дома.
Существуют еще теплопотери на инфильтрацию воздуха. Ими можно пренебречь, поскольку они в какой-то степени компенсируются бытовыми тепловыделениями и теплопоступлениями от солнечной радиации. Для более полного, исчерпывающего расчета теплопотерь можно использовать методику, описанную в справочном пособии .
В итоге для расчета мощности системы отопления полученную сумму теплопотерь всех ограждений дома увеличиваем на 15 - 30%.
Другие, более простые способы расчета теплопотерь:
- быстрый расчет в уме приблизительный способ расчета ;
- несколько более сложный расчет с применением коэффициентов ;
- самый точный способ расчета теплопотерь в режиме реального времени;
Не все материалы, которые применяют в строительстве, способны обеспечить должный уровень теплосбережения частного дома. Через стены, крышу, пол, оконные проемы идет постоянная утечка тепла. Определив при помощи тепловизора, какие элементы конструкции здания выступают «слабыми звеньями», путем комплексного или фрагментарного утепления можно существенно уменьшить потери тепла в частном доме.
Утеплите окна
Утепление окон дома чаще всего выполняют по шведской технологии, для чего все оконные створки снимают с рам, затем по периметру рамы выбирают фрезой паз, в который заправляют трубчатый уплотнитель из силикона (диаметром от 2 до 7 мм) - это позволяет надежно загерметизировать притворы окон. Мелкие щели в рамах, зазоры между стеклопакетом и рамой заполняют герметиком после предварительного мытья, очистки и просушки окон.
Утепление окон можно также выполнить с применением теплосберегающей пленки, которую при помощи самоклеющейся полосы фиксируют на оконной раме. Пропуская внутрь комнаты свет, пленка надежно экранирует тепловые потоки за счет металлизированного напыления, возвращая обратно в помещение порядка 60% тепла. Значительные теплопотери через окна нередко связаны с нарушением геометрии рамы, щелями между рамой и откосами, провисанием и перекосом створок, некачественным функционированием фурнитуры - для устранения этих проблем требуется квалифицированная регулировка или ремонт окон.
Утеплите стены
Самая значительная потеря тепла - около 40%, происходит через стены зданий, поэтому продуманное утепление капитальных стен частного дома кардинально улучшит его теплосберегающие параметры. Утепление стен может быть выполнено изнутри или/и снаружи - способ утепления зависит от материала, использованного в строительстве дома. Кирпичные и пенобетонные дома чаще всего утепляют снаружи, но теплоизолятор может быть заложен также изнутри этих построек. Деревянные дома практически никогда не утепляют со стороны внутренних помещений, во избежание парникового эффекта в комнатах. Снаружи утепляют дома из бруса, иногда - из сруба.
Утепление стен дома может быть выполнено по технологии «мокрого» или навесного фасада - основное отличие этих методов между собой заключается в принципе монтажа фасадной облицовки. При обустройстве «мокрого» фасада плотный теплоизолятор (пенополистирол, пенопласт) крепят на стену, а затем выполняют декоративную отделку с применением клеящих смесей. При монтаже навесного фасада после установки утеплителя (минеральной или стекловаты) монтируют обрешетку, а затем в ее профилях закрепляют облицовочные модули. Обязательным элементом «пирога» стен является пароизоляционная пленка , которая отводит конденсат от утеплительного слоя, защищает его от намокания и предотвращает потерю изоляционных свойств.
Утеплите крышу
Кровля дома - это еще одна поверхность, через которую из дома постоянно уходит тепло. В зависимости от материала, использованного при обустройстве кровельного настила, крыша может быть более или менее теплой. Капитального утепления, как правило, требуют металлические кровли из профнастила и металлочерепицы. Крыши из ондулина, гибкой и керамической черепицы обладают низкой теплопроводностью, поэтому для них утеплительный «пирог» может быть тоньше, чем в случае с металлом. Аналогично технологии утепления других поверхностей дома, в «пирог» крыши обязательно включают паробарьер, а для эффективного проветривания подкровельного пространства предусматривают один или два вентиляционных зазора.
Утеплите пол
В отличие от стен и оконных проемов, утечка тепла через пол частного дома невелика - составляет приблизительно 10%, а при условии обустройства утепления, она сократится до минимума. В качестве утеплителя для полов используют все тот же пенопласт, полистирол или минеральную вату, но также возможно применение керамзита, вспененного бетона, цементно-стружечных смесей и торфяных матов. Дополнительной утеплительной мерой в загородном доме может выступать монтаж теплых полов: водяных , кабельных или инфракрасных .
Аналогично устройству утепления стен и крыши, обязательным компонентом «пирога» пола выступает пароизоляционная мембрана, которая экранирует насыщенный влагой пар, просачивающийся из внутреннего пространства дома наружу. Таким образом, теплоизолирующий слой оказывается надежно защищенным от намокания.
Выбор теплоизоляции, вариантов утепления стен, перекрытий и других огрождающих конструкций для большинства заказчиков-застройщиков задача сложная. Слишком много противоречивых проблем требуется решить одновременно. Данная страничка поможет Вам во всем этом разобраться.
В настоящее время теплосбережение энергоресурсов приобрело большое значение. Согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», сопротивление теплопередаче определяется по одному из двух альтернативных подходов:
предписывающему (нормативные требования предьявляются к отдельным элементам теплозащиты здания: наружным стенам, полам над не отапливаемым пространствами, покрытиям и чердачным перекрытиям, окнам, входным дверям и т.п.)
потребительскому (сопротивление теплопередачи ограждения может быть снижено по отношению к предписывающему уровню при условии, что проектный удельный расход тепловой энергии на отопление здания ниже нормативного).
Санитарно-гигиенические требования должны выполняться всегда.
К ним относятся
Требование, что бы перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности огрождающих конструкций не превышали допустимых значений. Максимальные допустимые значения перепада для наружной стены 4°С, для покрытия и чердачного перекрытия 3°С и для перекрытия над подвалами и подпольями 2°С.
Требование, что бы температура на внутренней поверхности ограждения была выше температуры точки росы.
Для Москвы и ее области требуемое теплотехническое сопротивление стены по потребительскому подходу составляет 1,97 °С·м. кв./Вт, а по предписывающему подходу:
для дома постоянного проживания 3,13 °С·м. кв./ Вт,
для административных и других общественных зданий в т.ч. зданий сезонного проживания 2,55 °С·м. кв./ Вт.
Таблица толщин и термических сопротивление материалов для условий Москвы и ее области.
|
Наименование материала стены |
Толщина стены и соответствующее ей термическое сопротивление |
Необходимая толщина по потребительскому подходу (R=1,97 °С·м. кв./ Вт) и по предписывающему подходу (R=3,13 °С·м. кв./ Вт) |
|
Полнотелый сплошной глиняный кирпич (плотность 1600 кг/м. куб) |
510 мм (кладка в два кирпича), R=0,73 °С·м. кв./Вт |
1380 мм 2190 мм |
|
Керамзитобетон (плотность 1200 кг/м. куб.) |
300 мм, R=0,58 °С·м. кв./Вт |
1025 мм 1630 мм |
|
Деревянный брус |
150 мм, R=0,83 °С·м. кв./Вт |
355 мм 565 мм |
|
Деревянный щит с заполнением минеральной ватой (толщины внутренней и наружной обшивки из досок по 25 мм) |
150 мм, R=1,84 °С·м. кв./Вт |
160 мм 235 мм |
Таблица требуемых сопротивлений теплопередаче огрождающих конструкций в домах Московской области.
|
Наружная стена |
Окно, балконная дверь |
Покрытие и перекрытия |
Перекрытие чердачное и перекрытия над неотапливаемыми подвалами |
Входной двери |
|
По предписывающему подходу |
||||
|
По потребительскому подходу |
||||
Из этих таблиц видно, что большинство загородного жилья в Подмосковье не удовлетворяют требованиям по теплосбережению, при этом даже потребительский подход несоблюдается во многих вновь строящихся зданиях.
Поэтому, подбирая котел или обогревательные приборы только по указанным в их документации способности обогреть определенную площадь, Вы утверждаете, что Ваш дом построен со строгим учетом требований СНиП 23-02-2003.
Из вышеизложенного материала следует вывод. Для правильного выбора мощности котла и обогревательных приборов, необходимо рассчитать реальные теплопотери помещений Вашего дома.
Ниже мы покажем несложную методику расчета теплопотерь Вашего дома.
Дом теряет тепло через стену, крышу, сильные выбросы тепла идут через окна, в землю тоже уходит тепло, существенные потери тепла могут приходиться на вентиляцию.
Тепловые потери в основном зависят от:
разницы температур в доме и на улице (чем разница больше, тем потери выше),
теплозащитных свойств стен, окон, перекрытий, покрытий (или, как говорят ограждающих конструкций).
Ограждающие конструкции сопротивляются утечкам тепла, поэтому их теплозащитные свойства оценивают величиной, называемой сопротивлением теплопередачи.
Сопротивление теплопередачи показывает, какое количество тепла уйдет через квадратный метр ограждающей конструкции при заданном перепаде температур. Можно сказать и наоборот, какой перепад температур возникнет при прохождении определенного количества тепла через квадратный метр ограждений.
где q – это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности. Его измеряют в ваттах на квадратный метр (Вт/м. кв.); ΔT – это разница между температурой на улице и в комнате (°С) и, R – это сопротивление теплопередачи (°С/ Вт/м. кв. или °С·м. кв./ Вт).
Когда речь идет о многослойной конструкции, то сопротивление слоев просто складываются. Например, сопротивление стены из дерева, обложенного кирпичом, является суммой трех сопротивлений: кирпичной и деревянной стенки и воздушной прослойки между ними:
R(сумм.)= R(дерев.) + R(воз.) + R(кирп.).
Распределение температуры и пограничные слои воздуха при передаче тепла через стену
Расчет на теплопотери проводят для самого неблагоприятного периода, которым является самая морозная и ветреная неделя в году.
В строительных справочниках, как правило, указывают тепловое сопротивление материалов исходя из этого условия и климатического района (или наружной температуры), где находится Ваш дом.
Таблица – Сопротивление теплопередачи различных материалов при ΔT = 50 °С (Т нар. = –30 °С, Т внутр. = 20 °С.)
|
Материал и толщина стены |
Сопротивление теплопередаче R m , |
|
Кирпичная стена толщиной в 3 кирпича (79 см) толщиной в 2,5 кирпича (67 см) толщиной в 2 кирпича (54 см) толщиной в 1 кирпич (25 см) |
0,592 0,502 0,405 0,187 |
|
Сруб из бревен Ø 25 Ø 20 |
|
|
Сруб из бруса толщиной 20 см толщиной 10 см |
|
|
Каркасная стена (доска + минвата + доска) 20 см |
|
|
Стена из пенобетона 20 см 30 см |
|
|
Штукатурка по кирпичу, бетону, пенобетону (2-3 см) |
|
|
Потолочное (чердачное) перекрытие |
|
|
Деревянные полы |
|
|
Двойные деревянные двери |
Таблица – Тепловые потери окон различной конструкции при ΔT = 50 °С (Т нар. = –30 °С, Т внутр. = 20 °С.)
Примечание Четные цифры в условном обозначении стеклопакета означают воздушный зазор в мм; Символ Ar означает, что зазор заполнен не воздухом, а аргоном; Литера К означает, что наружное стекло имеет специальное прозрачное теплозащитное покрытие. |
Как видно из предыдущей таблицы, современные стеклопакеты позволяют уменьшить теплопотери окна почти в два раза. Например, для десяти окон размером 1,0 м х 1,6 м экономия достигнет киловатта, что в месяц дает 720 киловатт-часов.
Для правильного выбора материалов и толщин ограждающих конструкций применим эти сведения к конкретному примеру.
В расчете тепловых потерь на один кв. метр участвуют две величины:
перепад температур ΔT,
сопротивления теплопередаче R.
Температуру в помещении определим в 20 °С, а наружную температуру примем равной –30 °С. Тогда перепад температур ΔT будет равным 50 °С. Стены выполнены из бруса толщиной 20 см, тогда R= 0,806 °С·м. кв./ Вт.
Тепловые потери составят 50 / 0,806 = 62 (Вт/м. кв.).
Для упрощения расчетов теплопотерь в строительных справочниках приводят теплопотери разного вида стен, перекрытий и т.д. для некоторых значений зимней температуры воздуха. В частности, даются разные цифры для угловых помещений (там влияет завихрение воздуха, отекающего дом) и неугловых, а также учитывается разная тепловая картина для помещений первого и верхнего этажа.
Таблица – Удельные теплопотери элементов ограждения здания (на 1 кв.м. по внутреннему контуру стен) в зависимости от средней температуры самой холодной недели в году.
Примечание Если за стеной находится наружное неотапливаемое помещение (сени, застекленная веранда и т. д.), то потери тепла через нее составляют 70% от расчетных, а если за этим неотапливаемым помещением не улица, а еще одно помещение наружу (например, сени, выходящие на веранду), то 40% от расчетного значения. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица – Удельные теплопотери элементов ограждения здания (на 1 кв.м. по внутреннему контуру) в зависимости от средней температуры самой холодной недели в году.
|
Характеристика ограждения |
Наружная температура, °С |
Теплопотери, кВт |
|
Окно с двойным остеклением |
||
|
Сплошные деревянные двери (двойные) |
||
|
Чердачное перекрытие |
||
|
Деревянные полы над подвалом |
Рассмотрим пример расчета тепловых потерь двух разных комнат одной площади с помощью таблиц.
Пример 1.
Угловая
комната (первый этаж)
Характеристики комнаты:
этаж первый,
площадь комнаты – 16 кв.м. (5х3,2),
высота потолка – 2,75 м,
наружных стен – две,
материал и толщина наружных стен – брус толщиной 18 см, обшит гипсокартонном и оклеен обоями,
окна – два (высота 1,6 м, ширина 1,0 м) с двойным остеклением,
полы – деревянные утепленные, снизу подвал,
выше чердачное перекрытие,
расчетная наружная температура –30 °С,
требуемая температура в комнате +20 °С.
Площадь наружных стен за вычетом окон:
S стен (5+3,2)х2,7-2х1,0х1,6 = 18,94 кв. м.
Площадь окон:
S окон = 2х1,0х1,6 = 3,2 кв. м.
Площадь пола:
S пола = 5х3,2 = 16 кв. м.
Площадь потолка:
S потолка = 5х3,2 = 16 кв. м.
Площадь внутренних перегородок в расчете не участвует, так как через них тепло не уходит – ведь по обе стороны перегородки температура одинакова. Тоже относится и к внутренней двери.
Теперь вычислим теплопотери каждой из поверхностей:
Q суммарные = 3094 Вт.
Заметим, что через стены уходит тепла больше чем через окна, полы и потолок.
Результат расчета показывает теплопотери комнаты в самые морозные (Т нар.= –30 °С) дни года. Естественно, чем теплее на улице, тем меньше уйдет из комнаты тепла.
Пример 2
Комната
под крышей (мансарда)
Характеристики комнаты:
этаж верхний,
площадь 16 кв.м. (3,8х4,2),
высота потолка 2,4 м,
наружные стены; два ската крыши (шифер, сплошная обрешетка, 10 см минваты, вагонка), фронтоны (брус толщиной 10 см, обшитый вагонкой) и боковые перегородки (каркасная стена с керамзитовым заполнением 10 см),
окна – четыре (по два на каждом фронтоне), высотой 1,6 м и шириной 1,0 м с двойным остеклением,
расчетная наружная температура –30°С,
требуемая температура в комнате +20°С.
Рассчитаем площади теплоотдающих поверхностей.
Площадь торцевых наружных стен за вычетом окон:
S торц.стен = 2х(2,4х3,8-0,9х0,6-2х1,6х0,8) = 12 кв. м.
Площадь скатов крыши, ограничивающих комнату:
S скатов.стен = 2х1,0х4,2 = 8,4 кв. м.
Площадь боковых перегородок:
S бок.перегор = 2х1,5х4,2 = 12,6 кв. м.
Площадь окон:
S окон = 4х1,6х1,0 = 6,4 кв. м.
Площадь потолка:
S потолка = 2,6х4,2 = 10,92 кв. м.
Теперь рассчитаем тепловые потери этих поверхностей, при этом учтем, что через пол тепло не уходит (там теплое помещение). Теплопотери для стен и потолка мы считаем как для угловых помещений, а для потолка и боковых перегородок вводим 70-процентный коэффициент, так как за ними располагаются неотапливаемые помещения.
Суммарные теплопотери комнаты составят:
Q суммарные = 4504 Вт.
Как видим, теплая комната первого этажа теряет (или потребляет) значительно меньше тепла, чем мансардная комната с тонкими стенками и большой площадью остекления.
Чтобы такое помещение сделать пригодным для зимнего проживания, нужно в первую очередь утеплять стены, боковые перегородки и окна.
Любая ограждающая конструкция может быть представлена в виде многослойной стены, каждый слой которой имеет свое тепловое сопротивление и свое сопротивление прохождению воздуха. Сложив тепловое сопротивление всех слоев, получим тепловое сопротивление всей стены. Также суммируя сопротивление прохождению воздуха всех слоев, поймем, как дышит стена. Идеальная стена из бруса должна быть эквивалентна стене из бруса толщиной 15 – 20 см. Приведенная ниже таблица поможет в этом.
Таблица – Сопротивление теплопередаче и прохождению воздуха различных материалов ΔT=40 °С (Т нар. =–20 °С, Т внутр. =20 °С.)
|
Слой стены |
Толщина слоя стены (см) |
Сопротивление теплопередаче слоя стены |
Сопротивл. воздухопро ницаемости эквивалентно брусовой стене толщиной (см) |
|
|
Эквивалент кирпичной кладке толщиной (см) |
||||
|
Кирпичная кладка из обычного глиняного кирпича толщиной: 12 см 25 см 50 см 75 см |
0,15 0,3 0,65 1,0 |
|||
|
Кладка из керамзитобетонных блоков толщиной 39 см с плотностью: 1000 кг / куб м 1400 кг / куб м 1800 кг / куб м |
||||
|
Пено- газобетон толщиной 30 см плотностью: 300 кг / куб м 500 кг / куб м 800 кг / куб м |
||||
|
Брусовал стена толщиной (сосна) 10 см 15 см 20 см |
||||
Для объективной картины теплопотерь всего дома необходимо учесть
Потери тепла через контакт фундамента с мерзлым грунтом обычно принимают 15% от потерь тепла через стены первого этажа (с учетом сложности расчета).
Потери тепла, связанные с вентиляцией. Эти потери рассчитываются с учетом строительных норм (СНиП). Для жилого дома требуется около одного воздухообмена в час, то есть за это время необходимо подать тот же обьем свежего воздуха. Таким образом, потери связанные с вентиляцией, составляют немногим меньше сумме теплопотерь приходящиеся на ограждающие конструкции. Получается, что потери тепла через стены и остекление составляет только 40%, а потери тепла на вентиляцию 50%. В европейских нормах вентиляции и утепления стен, соотношение тепловых потерь составляют 30% и 60%.
Если стена «дышит», как стена из бруса или бревна толщиной 15 – 20 см, то происходит возврат тепла. Это позволяет снизить тепловые потери на 30%, поэтому полученную при расчете величину теплового сопротивления стены следует умножить на 1,3 (или соответственно уменьшить теплопотери).
Суммировав все теплопотери дома, Вы определите, какой мощности генератор тепла (котел) и отопительные приборы необходимы для комфортного обогрева дома в самые холодные и ветряные дни. Также, расчеты подобного рода покажут, где «слабое звено» и как его исключить с помощью дополнительной изоляции.
Рассчитать расход тепла можно и по укрупненным показателям. Так, в одно- и двухэтажных не сильно утепленных домах при наружной температуре –25 °С требуется 213 Вт на один квадратный метр общей площади, а при –30 °С – 230 Вт. Для хорошо утепленных домов – это: при –25 °С – 173 Вт на кв.м. общей площади, а при –30 °С – 177 Вт.
Стоимость теплоизоляции относительно стоимости всего дома существенно мала, однако при эксплуатации здания основные затраты приходятся именно на отопление. На теплоизоляции ни в коем случае нельзя экономить, особенно при комфортном проживании на больших площадях. Цены на энергоносители во всем мире постоянно повышаются.
Современные строительные материалы обладают более высоким термическим сопротивлением, чем материалы традиционные. Это позволяет делать стены тоньше, а значит, дешевле и легче. Все это хорошо, но у тонких стен меньше теплоемкость, то есть они хуже запасают тепло. Топить приходиться постоянно – стены быстро нагреваются и быстро остывают. В старых домах с толстыми стенами жарким летним днем прохладно, остывшие за ночь стены «накопили холод».
Утепление необходимо рассматривать совместно с воздухопроницаемостью стен. Если увеличение теплового сопротивления стен связано со значительным уменьшением воздухопроницаемости, то не следует его применять. Идеальная стена по воздухопроницаемости эквивалентна стене из бруса толщиной 15…20 см.
Очень часто, неправильное применение пароизоляции приводит к ухудшению санитарно-гигиенических свойств жилья. При правильно организованной вентиляции и «дышащих» стенах она излишня, а при плохо воздухопроницаемых стенах это ненужно. Основное ее назначение это предотвращение инфильтрации стен и защита утепления от ветра.
Утепление стен снаружи существенно эффективнее внутреннего утепления.
Не следует бесконечно утеплять стены. Эффективность такого подхода к энергосбережению – не высока.
Вентиляция – вот основные резервы энергосбережения.
Применив современные системы остекления (стеклопакеты, теплозащитное стекло и т.п.), низкотемпературные обогревающие системы, эффективную теплоизоляцию ограждающих конструкций, можно сократить затраты на отопление в 3 раза.
Варианты дополнительного утепления конструкций зданий на базе строительной теплоизоляции типа «ISOVER», при наличии в помещениях систем воздухообмена и вентиляции.
Утепление черепичной кровли с применением теплоизоляции ISOVER
|
Утепление стены из легких бетонных блоков |
Утепление кирпичной стены с вентилируемым зазором |
Утепление бревенчатой стены |
||
|
|
|
|
Расчет теплопотерь дома
Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции — 60-90% от всех теплопотерь.
Расчет теплопотерь дома нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме. Вот пример расчёта для газового котла и электрического . Также можно благодаря расчётам провести анализ финансовой эффективности утепления, т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя.
Теплопотери через ограждающие конструкции
Приведу пример расчета для внешних стен двухэтажного дома.|
1) Вычисляем сопротивление теплопередаче стены , деля толщину материала на его коэффициент теплопроводности. Например, если стена построена из тёплой керамики толщиной 0,5 м с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м×°C), то делим 0,5 на 0,16: 0,5 м / 0,16 Вт/(м×°C) = 3,125 м 2 ×°C/Вт Коэффициенты теплопроводности строительных материалов можно взять . |
|
2) Вычисляем общую площадь внешних стен. Приведу упрощённый пример квадратного дома:
(10 м ширина × 7 м высота × 4 стороны) - (16 окон × 2,5 м 2) = 280 м 2 - 40 м 2 = 240 м 2 |
|
3) Делим единицу на сопротивление теплопередаче, тем самым получая теплопотери с одного квадратного метра стены на один градус разницы температуры. 1 / 3,125 м 2 ×°C/Вт = 0,32 Вт / м 2 ×°C |
|
4) Cчитаем теплопотери стен. Умножаем теплопотери с одного квадратного метра стены на площадь стен и на разницу температур внутри дома и снаружи. Например, если внутри +25°C, а снаружи -15°C, то разница 40°C. 0,32 Вт / м 2 ×°C × 240 м 2 × 40 °C = 3072 Вт Вот это число и является теплопотерей стен. Измеряется теплопотеря в ваттах, т.е. это мощность теплопотери. |
|
5) В киловатт-часах удобнее понимать смысл теплопотерь. За 1 час через наши стены при разнице температур в 40°C уходит тепловой энергии: 3072 Вт × 1 ч = 3,072 кВт×ч За 24 часа уходит энергии: 3072 Вт × 24 ч = 73,728 кВт×ч |
Понятное дело, что за время отопительного периода погода разная, т.е. разница температур всё время меняется. Поэтому, чтобы вычислить теплопотери за весь отопительный период, нужно в пункте 4 умножать на среднюю разницу температур за все дни отопительного периода.
Например, за 7 месяцев отопительного периода средняя разница температур в помещении и на улице была 28 градусов, значит теплопотери через стены за эти 7 месяцев в киловатт-часах:
0,32 Вт / м 2 ×°C × 240 м 2 × 28 °C × 7 мес × 30 дней × 24 ч = 10838016 Вт×ч = 10838 кВт×ч
Число вполне «осязаемое». Например, если бы отопление было электрическое, то можно посчитать сколько бы ушло денег на отопление, умножив полученное число на стоимость кВт×ч. Можно посчитать сколько ушло денег на отопление газом, вычислив стоимость кВт×ч энергии от газового котла. Для этого нужно знать стоимость газа, теплоту сгорания газа и КПД котла.
Кстати, в последнем вычислении вместо средней разницы температур, количества месяцев и дней (но не часов, часы оставляем), можно было использовать градусо-сутки отопительного периода — ГСОП, некоторая информация . Можно найти уже посчитанные ГСОП для разных городов России и перемножать теплопотери с одного квадратного метра на площадь стен, на эти ГСОП и на 24 часа, получив теплопотери в кВт*ч.
Аналогично стенам нужно посчитать значения теплопотерь для окон, входной двери, крыши, фундамента. Потом всё просуммировать и получится значение теплопотерь через все ограждающие конструкции. Для окон, кстати, не нужно будет узнавать толщину и теплопроводность, обычно уже есть готовое посчитанное производителем сопротивление теплопередаче стеклопакета . Для пола (в случае плитного фундамента) разница температур не будет слишком большой, грунт под домом не такой холодный, как наружный воздух.
Теплопотери через вентиляцию
Примерный объем имеющегося воздуха в доме (объём внутренних стен и мебели не учитываю):10 м х10 м х 7 м = 700 м 3
Плотность воздуха при температуре +20°C 1,2047 кг/м 3 . Удельная теплоемкость воздуха 1,005 кДж/(кг×°C). Масса воздуха в доме:
700 м 3 × 1,2047 кг/м 3 = 843,29 кг
Допустим, весь воздух в доме меняется 5 раз в день (это примерное число). При средней разнице внутренней и наружной температур 28 °C за весь отопительный период на подогрев поступающего холодного воздуха будет в среднем в день тратится тепловой энергии:
5 × 28 °C × 843,29 кг × 1,005 кДж/(кг×°C) = 118650,903 кДж
118650,903 кДж = 32,96 кВт×ч (1 кВт×ч = 3600 кДж)
Т.е. во время отопительного периода при пятикратном замещении воздуха дом через вентиляцию будет терять в среднем в день 32,96 кВт×ч тепловой энергии. За 7 месяцев отопительного периода потери энергии будут:
7 × 30 × 32,96 кВт×ч = 6921,6 кВт×ч
Теплопотери через канализацию
Во время отопительного периода поступающая в дом вода довольно холодная, допустим, она имеет среднюю температуру +7°C. Нагрев воды требуется, когда жильцы моют посуду, принимают ванны. Также частично нагревается вода от окружающего воздуха в бачке унитаза. Всё полученное водой тепло жильцы смывают в канализацию.Допустим, что семья в доме потребляет 15 м 3 воды в месяц. Удельная теплоёмкость воды 4,183 кДж/(кг×°C). Плотность воды 1000 кг/м 3 . Допустим, что в среднем поступающая в дом вода нагревается до +30°C, т.е. разница температур 23°C.
Соответственно в месяц теплопотери через канализацию составят:
1000 кг/м 3 × 15 м 3 × 23°C × 4,183 кДж/(кг×°C) = 1443135 кДж
1443135 кДж = 400,87 кВт×ч
За 7 месяцев отопительного периода жильцы выливают в канализацию:
7 × 400,87 кВт×ч = 2806,09 кВт×ч
Заключение
В конце нужно сложить полученные числа теплопотерь через ограждающие конструкции, вентиляцию и канализацию. Получится примерное общее число теплопотерь дома.Надо сказать, что теплопотери через вентиляцию и канализацию довольно стабильные, их трудно уменьшить. Не будете же вы реже мыться под душем или плохо вентилировать дом . Хотя частично теплопотери через вентиляцию можно снизить с помощью рекуператора.
Если я где-то допустил ошибку, напишите в комментарии, но вроде всё перепроверил несколько раз. Надо сказать, что есть значительно более сложные методики расчета теплопотерь, там учитываются дополнительные коэффициенты, но их влияние незначительное.
Дополнение.
Расчет теплопотерь дома также можно сделать с помощью СП 50.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003). Там есть приложение Г «Расчет удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий», сам расчет будет значительно сложнее, там используется больше факторов и коэффициентов.
Показаны 25 последних комментариев. Показать все комментарии (54).
|
Андрей Владимирович
(11.01.2018 14:52)
В целом все отлично для простых смертных. Единственное я бы посоветовал, для тех кто любит указывать на неточности, в начале статьи указать более полную формулу Q=S*(tвн-tнар)*(1+∑β)*n/Rо и объяснить,что (1+∑β)*n с учетом всех коэффициентов будет незначительно отличаться от 1 и не может грубо исказить расчет теплопотерь всей ограждающей конструкции, т.е. берем за основу формулу Q=S*(tвн-tнар)*1/Rо. С расчетом теплопотерь вентиляции не согласен, считаю по другому.Я бы высчитал общую теплоемкость всего объема, а затем умножил на реальную кратность. Удельную теплоемкость воздуха я бы все таки взял морозного (греть то будем уличный воздух), а она будет прилично выше. Да и теплоемкость воздушной смеси лучше взять сразу в Вт, равна 0.28 Вт / (кг °С). |
