wrapper

Энергоэффективный дом

Чтобы самостоятельно выполнить расчет теплоизоляции, необходимо разобраться с основными понятиями, которые имеют разный физический смысл, хотя на первый взгляд означают одно и то же. Именно поэтому и следует рассмотреть их максимально внимательно. 

1. Коэффициент теплопроводности λ

Теплопроводность — это перенос тепловой энергии структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Явление теплопроводности подчиняется закону теплопроводности Фурье, который, если речь идет о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой, выражается так:

P=-λ×SΔT/h

Здесь:

P — полная мощность тепловых потерь;

S — площадь сечения параллелепипеда;

ΔT — перепад температур граней (измеряется в градусах по шкале Кельвина). При измерении температурных перепадов 1 K приблизительно совпадает 1 градусом по шкале Цельсия (1 °С);

h — длина параллелепипеда (расстояние между его гранями).

2. Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности (λ) измеряется в Вт/(м×K).

Коэффициент теплопроводности конкретного материала характеризует способность этого материала проводить тепло.

3. Коэффициент теплопередачи U

Коэффициент теплопередачи U показывает, какое количество тепловой энергии (Вт×с) проходит через один квадратный метр поверхности однородной ограждающей конструкции за 1 секунду при заданной разности внешней и внутренней температур в 1 K. Размерность этого показателя: Вт/(м2×K).

Коэффициент теплопередачи показывает, насколько хорошо элемент конструкции (крыша, стена, пол) проводит тепло. Чем ниже этот показатель, тем хуже пропускается тепло и тем лучше теплоизоляция. Коэффициент теплопередачи — это предпочтительный способ сравнения энергетической эффективности строительных конструкций.

П Р И М Е Р

Физический смысл коэффициента теплопередачи можно пояснить следующим примером. В начале XX века внешние стены дома строили из полнотелого кирпича. Как правило, такая стена имела толщину 24 см, с двух сторон она покрывалась слоем штукатурки толщиной 1,5 см. Коэффициент теплопередачи такой стены состав- ляет примерно 2 Вт/(м2×K). При разности температур в 1 K (например, 21 °С внутри помещения и 20 °С — снаружи) потеря энергии составляет 2 Вт на 1 квадратный метр поверхности. Стена площа- дью 30 м (12?2,5) теряет примерно 60 Вт. При понижении внешней температуры соответственно увеличивается и потеря энергии. При внешней температуре 0 °С, разница составит 21 градус, а потеря тепла за 1 час будет равна 1 ч×21 K×60 Вт/К = 1260 Вт×ч или 1,26 кВтч. За 24 часа получается 24 ч×1,26 кВт=30 кВтч, что соот- ветствует сжиганию топлива объемом 3 литра. 

4. Сопротивление теплопередаче

Сопротивление теплопередаче (R) представляет собой величину, обратную коэффициенту теплопередачи (U), и, соответственно, описывает, насколько хорошо конкретный материал сопротивляется передаче тепла. Чем выше сопротивление теплопередаче, тем лучше теплоизоляция. Размерность этого показателя: (м2×K)/Вт.

5. Коэффициент теплообмена α

Коэффициент теплообмена α выражает количество тепла, которое за одну секунду обменивается между 1 м2 твердой поверхности и касающимся его воздухом, когда разница температур между поверхностью и воздухом составляет 1 К. Единица измерения: Вт/(м2×K).

6. Потери тепла через ограждения помещения

Трансмиссионный поток теплоты через ограждающую конструкцию (передающаяся тепловая нагрузка) определяется следующим образом:

QT=U×A(ti-te)=A(ti-te)/R (2.4)

Здесь:

A — площадь поверхности элемента здания, м2 ;

U — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м2×K);

R=1/U— сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2×К)/Вт;

ti — температура воздуха внутри помещения, °C;

te — температура наружного воздуха, °C.

Коэффициент теплопередачи (U) для элемента здания, представляющего собой многослойную конструкцию, вычисляется по следующему соотношению:

1/U=1/αi+1/αe∑nhii или RU=Ri+Re∑Rλi(2.5)

αi — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения;

αeкоэффициент теплообмена на внешней поверхности ограждения;

hiтолщина i-го слоя ограждающей конструкции;

n — количество слоев в многослойной ограждающей конструкции;

λi — коэффициент теплопроводности i-го слоя ограждающей конструкции;

U — коэффициент теплопередачи элемента здания;

RU — сопротивление теплопередаче 1/U;

Rλi — коэффициент термического сопротивления i-го слоя ограждающей конструкции.

Принятые на сегодняшний день в России стандарты не регламентируют значения коэффициента теплопередачи (U) для различных элементов зданий. Вместо этого для каждого слоя элемента должен быть определен коэффициент термического сопротивления Rλi, зависящий от коэффициента теплопроводности этого слоя. На рис. 2.11 приведен пример, взятый из действующего СНиП, регламентирующий значения коэффициентов теплопередачи стен, крыш и перекрытий для различных регионов России (для внутренней температуры 19 °С). Коэффициенты теплопроводности материалов можно найти в стандартных спецификациях к зданию. Тогда, как следует из только что приведенного соотношения, сумма значений коэффициентов термического сопротивления отдельных слоев и коэффициентов сопротивления теплообмену на внутренней и внешней поверхностях ограждения Ri=1/αi или Re=1/αe дает величину общего коэффициента сопротивления теплопередаче элемента здания RU=1/U.

Формула для расчета значения коэффициента теплопередачи (U), приводимого в стандарте, выглядит следующим образом:

Un=ΔUA+ΔUS, где ΔUA и ΔUS характеризуют величины, связанные с изменением комфортной температуры и влиянием рассеянного солнечного излучения, соответственно.

 Коэффициент сопротивления теплопередаче

Рис. 2.11. Нормированные значения коэффициента сопротивления теплопередаче для различных регионов России в соответствии с действующими СНиП

Тепловые потери через расчетные строительные конструкции, а именно наружные стены, пол, верхнее междуэтажное перекрытие или крышу, характеризуются коэффициентами теплопередачи U, Вт/(м2×К) (в действующих СНиП РФ используется обратная величина R02×°С)/Вт). Эта величина показывает, сколько тепла отдается строительной конструкцией наружу в единицу времени при изменении температуры на 1 °С (или 1 К).

Для расчета тепловых потерь через стену необходимо перемножить коэффициент U, площадь и разность температур. Например, типичный коттедж имеет снаружи площадь стен 100 м2.

При суровых условиях в зимнее время в Средней Европе наружная температура составляет –12 °C, а требуемая внутренняя температура 21 °C. При различных значениях коэффициентов теплопередачи получается следующая мощность тепловых потерь (тепловой поток) через наружные стены при "расчетных условиях" (см. табл. 2.3).

 

Таблица 2.3. Расчетная мощность тепловых потерь через наружные стены (По данным Института пассивного дома (см.http://www.passiv-rus.ru/?page=87). Следует обратить внимание, что при адаптации этих данных к суровым климатическим условиям России нужно учитывать следующее: наружные температуры опускаются ниже (а значит, перепад температур — выше), а отопительный период — продолжительнее. Методику расчетов с практическими примерами можно найти в справочных материалах на CD, прилагаемом к данной книге.

 

 

U, Вт/(м2×К) или R02×°C)/Вт,

Мощность тепловых потерь, Вт

 

Нормируемый годовой расход тепла на отопление, КВтч/(м2×год)

В Средней Европе

В России

1,00 (1,00)

3300

5100

78

0,80 (1,25)

2640

4080

62

0,60 (1,67)

1980

3060

47

0,40 (2,5)

1320

2040

31

0,20 (5,00)

660

1020

16

0,15 (6,67)

495

765

12

0,10 (10,00)

330

510

8

 

Тепловые потери являются решающей составляющей энергетического баланса здания. Любые тепловые потери необходимо компенсировать соответствующими тепловыми поступлениями. В противном случае произойдет падение температуры в доме.

 С помощью компактной типовой системы отопления для пассивного дома можно выработать около 1000 Вт мощности (это мощность обычного фена для сушки волос). Так как большая часть этой мощности пойдет на компенсацию тепловых потерь от наружных стен, то, конечно же, коэффициент теплопередачи стены U должен быть действительно очень низким (или должно быть очень высокое значение сопротивления теплопередаче R0).

Что же это означает для теплоизоляционной оболочки здания?

В первую очередь становиться ясно, что достижение таких низких величин U (или высоких R0) возможно только благодаря материалам с высокими теплоизоляционными характеристиками. В табл. 2.4 приведена информация о том, какой толщины должны быть однослойные наружные конструкции, чтобы достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций дома с величиной U<0,13 Вт/(м2×К) (или R0>7,7 (м2×°С)/Вт).

 

Таблица 2.4. Данные о толщине однослойных наружных конструкций, позволяющих достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций пассивного дома (По данным Института пассивного дома (http://www.passiv-rus.ru/?page=87 Прим. ред.)

 

Материал

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°×С)

Требуемая толщина в м для достижения U=0,13 Вт/(м2×К) или R0= 7,7 (м2×°С)/Вт

Стандартный бетон

2,1

15,80

Полнотелый кирпич

0,800

6,02

Пустотелый кирпич с вертикальными пустотами

0,400

3,01

Древесина хвойных пород

0,13

0,98

Пористый кирпич, ячеистый бетон

0,11

0,83

Эффективный утеплитель

0,04

0,30

Высокоэффективный утеплитель

0,025

0,19

Нанопористый суперутеплитель с нормальным давлением

0,015

0,11

Вакуумная теплоизоляция (кремнезем)

0,008

0,06

Вакуумная теплоизоляция (глубокий вакуум)

0,002

0,015

 

В таблице наглядно показано, что разумные границы по толщине наружной оболочки здания возможны только в том случае, если достигается существенный теплоизоляционный эффект с использованием утеплителей с низкими значениями коэффициентов теплопроводности. Для этого подходят все материалы, расположенные в табл. 2.4. Конечно же, комбинация с другими материалами не только возможна, но и во многих случаях необходима. Например: утепленная снаружи бетонная стена или монолитная стена из пенобетона с теплоизоляционными плитами из силиката кальция.

6.1. Тонкости наружной оболочки

Конструкция наружной оболочки будет тем тоньше, чем ниже коэффициент теплопроводности используемой теплоизоляции. Так, для пассивного дома (в условиях Германии) при применении в качестве наружных стен блоков из прессованной соломы необходимая толщина составит около 50 см или более. При применении более эффективных утеплителей (минеральная вата, пенополистирол, целлюлозная теплоизоляция) толщина теплоизоляции составит около 30 см. При использовании высокоэффективных утеплителей, таких как пенополиуретан, толщина теплоизоляции снизится до 20 см.

Есть и еще более эффективные виды теплоизоляции. Так, например, в Германии в настоящее время допущена к применению вакуумная теплоизоляция. С использованием вакуумных изоляционных панелей (ВИП) можно действительно получить очень эффективную и одновременно тонкую наружную оболочку. Не менее успешно зарекомендовал себя и другой вариант — "полупрозрачная теплоизоляционная оболочка".

При этом суммарная солнечная радиация абсорбируется не на поверхности оболочки, а проходит в глубину теплоизолированной конструкции, чтобы снизить разность температур и достичь низкого значения коэффициента теплопередачи U, эквивалентного требуемым значениям.

6.2. Увеличение толщины эффективной теплоизоляции

Опыт строительства первых пассивных домов показал, что увеличение толщины эффективной теплоизоляции можно реализовать в большинстве случаев:

  • Во многих случаях при строительстве предусмотрена площадь под теплоизоляцию. Если площади не хватает или это требует больших финансовых затрат, то можно применить высокоэффективные теплоизоляционные материалы.
  • Увеличение толщины теплоизоляции со строительной точки зрения не представляет проблем. При правильном применении затраты на монтаж теплоизоляции не выше, чем при меньших толщинах. Остаются только повышенные затраты на закупку большего количества теплоизоляционного материала, который все же сравнительно недорог. Как на практике выглядят конструкции оболочки пассивного дома с использованием различных материалов, будет показано далее на примерах.
  • Все применяемые сегодня стандартные элементы ограждающих конструкций зданий адаптированы и для пассивных домов. Существуют разнообразные варианты: кирпичные стены, двухслойные или со скрепленной теплоизоляцией (система теплоизоляции с тонким штукатурным слоем) или с навесным фасадом (фасадная система с вентилируемым зазором), сборные строительные элементы из легких бетонов, сборные железобетонные элементы, деревянные конструкции (классические или с использованием легких балок), несъемная опалубка, металлические конструкции и полупрозрачные элементы.
  • Результаты измерений в построенных пассивных домах показали, что увеличение толщины теплоизоляции оправдывает ожидания. Фактические значения тепловых потерь совпадают с расчетными. Строительные элементы с увеличенным слоем теплоизоляции, применяемые в пассивных домах, имеют значительное преимущество по сравнению с традиционными.
  • Благодаря низким тепловым потерям автоматически повышаются значения температур на внутренних поверхностях наружных стен зимой, даже без применения отопительных приборов. Благодаря этому снижается интенсивность конвективного теплообмена в помещении, что является хорошей предпосылкой для создания комфортного микроклимата. Высокие значения температур на внутренних поверхностях наружных стен приводят, кроме того, к снижению уровня влажности на поверхностях строительных конструкций, что практически исключает их повреждение вследствие увлажнения.
  • В летнее время температуры на внутренних поверхностях наружных стен примерно совпадают с температурой воздуха в помещениях. Иначе говоря, они ниже, чем при плохо теплоизолированных строительных конструкциях. При плохой теплоизоляции в жаркое время года тепловая энергия интенсивно переносится внутрь помещения, что приводит к летнему перегреву. Хорошо утепленные конструкции имеют значительное уменьшение амплитуды колебания температуры уже при незначительном весе (например, двойной гипсокартон в качестве несущей части). Уже благодаря этому достигается оптимальный температурный режим конструкции в летний период. Очень важной является продолжительная постоянная времени здания (инерционность здания). Она получается благодаря усиленной теплоизоляции и позволяет эффективно использовать открытые (без отделки материалами с низкими значениями теплоусвоения) внутренние поверхности массивных конструкций здания (стены, полы, потолки). Вследствие этого пассивный дом можно достаточно эффективно охладить благодаря ночному проветриванию и удерживать прохладу в течение дня. "Летние условия" должны быть точно так же запроектированы, как и зимние. Для этого используется специальная расчетная программа "Пакет проектирования пассивного дома" (PHPP - См. http://www.passiv-rus.ru/?page=106. Демонстрационную версию пакета PHPP 2007 (к сожалению, только на английском языке) с руководством пользователя можно скачать отсюда: http://www.passive-on.org/en/cd.php).
  • Строительные конструкции с усиленной теплоизоляцией лучше сглаживают влияние "тепловых мостиков" (по наружным размерам), чем стандартно утепленные. Это особенно важно при капитальном ремонте и реконструкции старых зданий. Так как несущие конструкции и внутренний несущий слой ограж- дающих конструкций расположены за толстой теплоизоляцией, то они (за исключением стыковых и прочих соединений) находятся полностью в "теплой" области (т. е. их температуры практически равны внутренним температурам в помещениях).