Теплотехнические расчеты

Когда мы принимаем решение построить загородный дом, то обычно начинаем продумывать архитектуру дома, то где он будет стоять на участке, из чего будет построен.

А приходила ли нам в голову мысль, сколько будет стоить эксплуатация дома в будущем?

Как правило, лишь построив загородный дом, мы начинаем понимать, что за счастье жить на свежем воздухе в гармонии с природой нам придется регулярно платить. И платить немалые деньги. В среднем содержание комфортабельного коттеджа со всеми удобствами обходится от 500 до полутора тысяч долларов в месяц, и более 50% этих средств идет на оплату расходов по отоплению. Поначалу эти затраты кажутся мизерными по сравнению со стоимостью самого дома. Но рано или поздно эйфория проходит и наступает момент истины, когда даже самый состоятельный домовладелец начинает задумываться о сокращении затрат на эксплуатацию своего жилища.

И эти затраты можно сократить если на начальной стадии уделить особое внимание тому — как и из чего будет построен дом.

Наружные стены, окна, крыша, то есть ограждающие конструкции здания, защищают живущих в доме людей от холода, ветра, дождя, снега, сырости, жары и шума (рисунок 1).

Благодаря способности ограждений препятствовать прохождению через них тепла, в доме в холодное время года сохраняются условия теплового комфорта.

Посмотрев на рисунок 2, вы можете увидеть откуда тепло уходит из дома. Величина теплопотерь на прямую зависит от площади ограждающих конструкции и от теплоизолирующей способности материала из которых они состоят. В связи с тем, что самая большая площадь ограждающих конструкций у наружных стен, то только через них потери тепла достигают 30–40 %.

12

Ниже мы попробуем разобраться от чего зависят потери тепла через стены и в чем это выражается. Для этого вспомним немного физики.

Способность ограждающих конструкций оказывать сопротивление потоку тепла, проходящему из помещения наружу, характеризуется сопротивлением теплопередачи1 R0:

(1) R0 = 1/αв +R+1/αн, где

αв — коэффициент теплообмена2 у внутренней поверхности ограждения. В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» равен 8,7 Вт/м2 °С;
αн — коэффициент теплообмена у наружной поверхности ограждения. В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» равен 23 Вт/м2 °С;
R — термическое сопротивление3 конструкций.

(2) R = δ/λ, где

δ — толщина теплоизоляционного материала;
λ — коэффициент теплопроводности4 теплоизоляционного материала.

Подставляя в формулу (1) значения αв и αн получаем:

(3) R0 = 0,1149 + δ/λ + 0,0434 = 0,1583 + δ/λ

Конструкции из материалов с низким значением коэффициента теплопроводности λ обладают высоким сопротивлением теплопередаче R0, а значит, и высокими теплозащитными качествами.

Таким образом, чем выше R0 конструкции, тем лучшими теплозащитными свойствами она обладает.

В связи с этим, для снижения теплопотерь, что естественно приводит к экономии будущих эксплуатационных расходов необходимо выбирать материал с высоким R0, но при этом сравнивать его по стоимости и по другим параметрам с другими материалами с близким R0.

На сегодняшний день требуемое сопротивление теплопередаче R0 наружных ограждающих конструкций по новому СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для Ленинградской области должен быть не менее 3,15 (R0 = 3,15). При таком коэффициенте сопротивления теплопередаче температура на внутренней поверхности стены дома будет не менее +20°С, при температуре наружного воздуха –26°С.

Подставляя значение R0 = 3,15 в формулу (3) имеем 3,15 = 0,1583 + δ/λ.

(4) Или δ = 2,9917λ.

Таким образом зная значение коэффициента теплопроводности λ для разных строительных материалов, мы можем используя формулу (4) рассчитать какую толщину стен дома δ нам необходимо иметь при сопротивлении теплопередачи R0 = 3,15. Это позволит нам оценить объем и стоимость материала, который пойдет на строительство стен дома.

  1. Сопротивление теплопередачи характеризует количество тепла в ваттах (Вт), которое проходит через один квадратный метр конструкции при разности температур по обе стороны в один градус.
  2. Теплообмен — процесс необратимого распространения тепла от более нагретых тел к менее нагретым.
  3. Термическое сопротивление — способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул.
  4. Коэффициент теплопроводности — это способность материала передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на противоположных поверхностях.

Сделаем расчеты для нескольких материалов которые наиболее часто используются для строительства загородных домов:
Кирпич:

  1. Кирпичная кладка из строительного плотнотелого кирпича (производитель ОАО «Победа ЛСР»). Теплопроводность такой кладки λ равна 0,72. Используя формулу (4) получаем δ = 2,154 м
  2. Кирпичная кладка из строительного кирпича, пустотностью 22% (производитель ОАО «Победа ЛСР»). Теплопроводность λ такой кладки равна 0,53 , получаем δ = 1,586 м
  3. Кирпичная кладка из строительного кирпича, пустотностью 42–45 % (производитель ОАО «Победа ЛСР»). Теплопроводность такой кладки λ равна 0,26. получаем δ = 0,777 м

Газобетон, (производитель ЗАО «Силбетиндустрия» марка Д 400). Его теплопроводность λ равна 0,14, получаем δ = 0,42 м
Газобетон Aeroc (производитель ООО «Аэрок Санкт-Петербург», марка Д 400). Его теплопроводность λ равна 0,096, получаем δ = 0.29 м
Сосна или ель. Их теплопроводность λ (согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий») равна 0,18, получаем δ = 0,54 м.
Технология монолитного строительства в несъемной опалубке Velox (далее—Velox). Cтена, возводимая по технологии Velox не однородна, она состоит из четырех элементов: внутренняя плита Velox WS (λ = 0,11), внешняя двухслойная плита Velox WS-EPS (λ = 0,11 + 0,038), бетон марки В-20 (λ = 1,87).

Для расчетов используем формулу (4) в виде 2,9917 = δ/λ.

Предположим, что все слои равны, тогда 2,9917 = δ/0,11 + δ/0,11 + δ/0,038 + δ/1,87.

Выполнив вычисления получаем δ = 0,0664 м. Но так как стена Velox не однородна и состоит из четырех элементов, то δ=0,0664×4=0,265 м.

Анализируя сделанные выше расчеты мы видим, что для того чтобы получить теплый дом, удовлетворяющий СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» в Ленинградской области (R0 = 3,15 ), необходимо выложить стену:

  • из сплошного строительного плотнотелого кирпича толщиной 215 см.;
  • из строительного кирпича, пустотностью 22 % толщиной 159 см.;
  • из строительного кирпича, пустотностью 42–45% толщиной 77см.;
  • из сосны или ели толщиной 54 см.;
  • из газобетона толщиной 42 см.
  • из газобетона Aeroc толщиной 29 см.
  • из Velox — толщиной 27 см.

Если посмотреть на эти результаты, то материалы можно разделить на две группы. К первой группе относятся:

  • строительный плотнотелый кирпич,
  • строительный кирпич (пустотностью 22 % и пустотностью 42–45 %),
  • газобетон Hebel,
  • сосна и ель.

Если вы решите строить загородный дом из этих материалов, то для того чтобы дом был теплый, необходимо выполнить одно из трех условий:

  • Возвести стену расчетной толщины.
  • Возвести стену меньшей толщины, но затем обязательно ее утеплить (сделав предварительные расчеты по утеплению).
  • Возвести стену меньшей толщины, но отапливать дом в усиленном режиме.

К сожалению, выполнив любое из этих трех условий — стоимость вашего дома возрастет по сравнению с тем, если бы вы строили дом из материалов второй группы или в будущем вы будете тратить средства на дополнительное отопление.

Во вторую группу материалов вошли газобетон Aeroc и Velox. Сравнивая материалы-победители между собой можно отметить следующее:

  • По цене готового изделия, то есть стоимости коробки дома, стоимость этих материалов приблизительно одинакова.
  • По срокам строительства они имеют примерно равные сроки.
  • Если строить дом из газобетона Aeroc, то необходимо помнить, что он абсорбирует (поглощает) влагу, в связи с чем резко снижаются его теплотехнические характеристики, что может привести к деформации. Поэтому газобетон обязательно необходимо изолировать от влаги.
  • Газобетон обладает низкой механической прочностью, поэтому для такой кладки необходим монолитный фундамент, чтобы исключить усадочные деформации и возникновение трещин в стенах.
  • По приведенным выше расчетам толщина стены, возведенной по технологии Velox должна равняться 27 см. Но при создании технологии Velox была заложена стандартная толщина стены размером в 32 см. Это на 20 % больше расчетной величины. Используя формулу (1) мы получаем R0 = 4,2. Это на 30 % больше коэффициента теплопередачи для Северо-Западного региона и равно коэффициенту теплопередачи для крайнего северо-востока Европейской части РФ (Республика Коми), где среднегодовая температура воздуха не поднимается выше +1°С, и где Velox также успешно используется для строительства.