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 %.

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/α_в +R+1/α_н, где

α_в — коэффициент теплообмена² у внутренней поверхности ограждения. В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» равен 8,7 Вт/м² °С;
α_н — 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 α_в и α_н 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.


Сопротивление теплопередачи характеризует количество тепла в ваттах (Вт), которое проходит через один квадратный метр конструкции при разности температур по обе стороны в один градус.
Теплообмен — процесс необратимого распространения тепла от более нагретых тел к менее нагретым.
Термическое сопротивление — способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул.
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:

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
Кирпичная кладка из строительного кирпича, пустотностью 22% (производитель ОАО «Победа ЛСР»). Теплопроводность λ такой кладки равна 0,53 , получаем δ = 1,586 м
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.