Логически понять этот параметр несложно: способность стены накапливать в себе тепловую энергию. Совершенно ясно, что чем больше стена может накопить в себе тепла, тем больше она его сможет отдать.
Ни в одном рекламном проспекте фирмачей я не встречал указания на этот параметр, всюду он умалчивается. Почему? Совершенно очевидно, что все проекты, как правило, рассчитаны на постоянное отопление. В этом случае, действительно, теплоемкость стены мало влияет на микроклимат жилища.
Теплопотери через стены всегда есть. При постоянном отоплении, при постоянном поддержании температуры в помещениях эти теплопотери также постоянно восполняются системой отопления. Конструкция системы отопления в данном случае неважна, будь это централизованное отопление или постоянно пыхтящий газовый котел.
Но Россия - это далеко не Москва и ее область. 40% населения страны отапливают свои частные дома древним, испытанным способом: печью. О преимуществах и недостатках того или другого способа отопления будет другая моя книга, здесь тоже есть о чем сказать. А сейчас можно справедливо констатировать, что клиент, обращающийся в стройфирму и выбирая проект своего дома из предлагаемых, говоря по-простому, часто накалывается именно на этом.
Печное отопление - это периодическое отопление. Печь протапливается, накапливает в своей толще тепловую энергию и впоследствии постепенно отдает ее в дом. Даже если в печь вмонтирован водяной котел и сделана разводка по батареям, суть не меняется. Это отопление все равно остается периодическим.
Вот здесь общая теплоемкость всех составляющих построенного дома имеет весьма важное значение. Чем больше эта теплоемкость, тем выше инерционность микроклимата в жилых помещениях.
Если общая теплоемкость мала, температура в помещениях при протапливании печи поднимается быстро, часто значительно превышая комфортную. Стараясь нагреть печь, хозяин топит ее подольше, в результате в доме становится жарко. Настолько же быстро температура и падает после окончания протопки в зависимости от теплопотерь стен, окон, перекрытий, вентиляции. Печь, хотя и обладает определенной теплоемкостью, не способна накопить достаточно тепла для более длительного поддержания комфортной температуры.
Другое дело, если к теплоемкости печи добавляется значительная теплоемкость стен. При протопке печи она препятствуют "зашкаливанию" температуры, отбирая часть тепловой энергии из воздуха и накапливая ее в своей толще. И после протопки накопленное тепло возвращается в помещения более длительное время. В этом и состоит инерционность.
Планируя дом с печным отоплением, никогда нельзя забывать о теплоемкости стен, вообще об общей теплоемкости всех составляющих. Железобетонные перекрытия, например, тоже весьма теплоемкая часть. Это же касается и перегородок: если они выполнены из кирпича, то конечно же они обладают гораздо бОльшей теплоемкостью, нежели деревянные каркасы.
Вобщем, надо стремиться к такому варианту, который обеспечит максимальную общую теплоемкость всех составляющих конструкции дома. Повторюсь: этот параметр чрезвычайно важен в доме с периодическим отоплением, и не столь важен при постоянном. Хотя, в нашем обществе с его катаклизмами нередки варианты всяческих аварий с прекращением подачи тепла, и здесь более жизнестойкими опять же оказываются именно теплоемкие дома...
Итак, как же определяется теплоемкость стен? Для этого также используется СНиП II-3-79 . Согласно этому нормативу каждый материал обладает своим коэффициентом теплоемкости. Количество же тепла, которое способен накопить материал рассчитывается с применением двух параметров: плотности материала и его коэффициента теплоемкости. То есть, необходимо плотность материала умножить на коэффициент.
Вот выборка по значениям теплоемкости для некоторых материалов из этого норматива с уже рассчитанным третьим параметром, определяющим способность материала к накоплению тепловой энергии. Таблица отсортирована по возрастанию этого расчетного параметра.
| № по СНИП | Материал | Плотность кг/м 3 | Теплоемкость, кДж/кг* o C | Кол-во тепла на 1 градус, кДж/м 3 * o C |
| 144 | Пенополистирол | 40 | 1,34 | 54 |
| 129 | Маты минерало-ватные прошив-ные | 125 | 0,84 | 105 |
| 143 | Пенополистирол | 100 | 1,34 | 134 |
| 145 | Пенопласт ПХВ-1 | 125 | 1,26 | 158 |
| 142 | Пенополистирол | 150 | 1,34 | 201 |
| 67 | 300 | 0,84 | 252 | |
| 66 | Газо- и пенобетон газо- и пено-силикат | 400 | 0,84 | 336 |
| 119 | 200 | 2,30 | 460 | |
| 65 | Газо- и пенобетон газо- и пено-силикат | 600 | 0,84 | 504 |
| 64 | Газо- и пенобетон газо- и пено-силикат | 800 | 0,84 | 672 |
| 70 | Газо- и пено- золобетон | 800 | 0,84 | 672 |
| 83 | Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка) | 800 | 0,84 | 672 |
| 63 | Газо- и пенобетон газо- и пено-силикат | 1000 | 0,84 | 840 |
| 69 | Газо- и пено- золобетон | 1000 | 0,84 | 840 |
| 118 | Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружеч-ные | 400 | 2,30 | 920 |
| 68 | Газо- и пено- золобетон | 1200 | 0,84 | 1008 |
| 108 | Сосна и ель поперёк волокон | 500 | 2,30 | 1150 |
| 109 | Сосна и ель вдоль волокон | 500 | 2,30 | 1150 |
| 92 | Керамический пустотный | 1400 | 0,88 | 1232 |
| 112 | Фанера клееная | 600 | 2,30 | 1380 |
| 117 | Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружеч-ные | 600 | 2,30 | 1380 |
| 91 | Кирпич керамический | 1600 | 0,88 | 1408 |
| 47 | Бетон на доменных гранулированных шлаках | 1800 | 0,84 | 1512 |
| 84 | Кирпичная кладка (кирпич глиняный) | 1800 | 0,88 | 1584 |
| 110 | Дуб поперек волокон | 700 | 2,30 | 1610 |
| 111 | Дуб вдоль волокон | 700 | 2,30 | 1610 |
| 116 | Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружеч-ные | 800 | 2,30 | 1840 |
| 2 | Бетон на гравии или щебне из природного камня | 2400 | 0,84 | 2016 |
| 1 | Железо-бетон | 2500 | 0,84 | 2100 |
| 113 | Картон облицовочный | 1000 | 2,30 | 2300 |
| 115 | Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружеч-ные | 1000 | 2,30 | 2300 |
Совершенно очевидно, что наименее теплоемкий материал - пенополистирол, а наиболее, как оказывается - древесно-стружечная плита. И в этом ничего удивительного, поскольку при своей плотности она обладает высоким коэффициентом теплоемкости.
Руководствуясь этой таблицей, мы всегда можем определить и теплоемкость 1 квадратного метра стены. Следует оговориться, что в данном случае нас интересует не общая ее теплоемкость, а теплоемкость внутренней ее части, поскольку тепло от той же печи накапливает именно внутренняя поверхность стены, но никак не наружная, граничащая с внешним воздухом.
И еще: вычисляемое нами значение теплоемкости - всего лишь ориентировочное значение, так как сама температура стены в разных ее точках по толщине, безусловно, разная. Однако, для сравнительного анализа такого подхода вполне достаточно, чтобы определиться с конструкцией будущей стены. Ведь мы не ставим себе задачу определения точной теплоемкости, нам важно знать лишь преимущество одной конструкции перед другой в плане теплоемкости.
По примеру трехслойной стены в предыдущей главе мы вполне можем оценить
ее полезную теплоемкость. 1 квадратный метр внутренней стенки, состоящей
из бетона и толщиной 10 см будет обладать значением:
T = 0,1 * 2100 = 210
кДж/м 2 * o C
где 0,1 - толщина стенки,
2100 - третий параметр по таблице для бетона.
На рисунке слева на стену воздействует теплый воздух помещения, справа - холодный наружный воздух. При расчете средний слой, пенополистирол, во внимание не принимаем, поскольку он обладает очень малым коэффициентом теплоемкости, а наружный слой бетона вообще не принимает участия в накоплении тепла, поскольку отгорожен от источника тепловой энергии утеплителем.
А вот другая схема стены, где слой бетона расположен между двумя слоями
утеплителя. О достаточной полезной теплоемкости здесь судить не приходится,
поскольку самый теплоемкий материал (бетон) отгорожен от внутренних помещений
утеплителем. Если учитывать пенополистирол,
то 1 кв метр стены сможет накопить тепла всего лишь
T = 0,1 * 54 = 5,4
кДж/м 2 * o C,
то есть, почти в 40 раз меньше, чем по первой схеме.
Еще раз повторюсь, что показанные расчеты всего лишь преследуют цель сравнения разных схем на предмет способности накопления тепловой энергии и не являются точными.
Теплоёмкость тел - способность поглощать определённое количество тепла при нагревании, или отдавать при охлаждении. Теплоёмкость тела, это отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры. Измеряется эта величина в Дж/К. Для практического же применения применяют Удельную теплоёмкость. Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Количество этого вещества, в свою очередь, может быть измерено в кубометрах, килограммах или в молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают объёмную, массовую и молярную теплоёмкость. В строительстве вряд-ли нам придётся встречаться с молярными измерениями, потому молярную теплоёмкость я оставлю физикам.
Массовая удельная теплоёмкость (обозначается буквой С), также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на килограмм на кельвин - Дж/(кг·К).
Объёмная теплоёмкость (С`) - это количество теплоты, которое необходимо подвести соответственно к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин Дж/(м ³·К). В строительных справочниках обычно приводят массовую удельную теплоёмкость - её и будем рассматривать.
На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества, давление и другие термодинамические параметры. С ростом температуры вещества его удельная теплоёмкость, как правило, возрастает, но некоторые вещества имеют совсем нелинейную кривую этой зависимости. К примеру, с повышением температуры от 0°С до 37°С удельная теплоёмкость воды снижается, а после 37°С до 100°С возрастает (см. картинку слева). Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении и при постоянном объёме различны.
Формула расчёта удельной теплоёмкости: С=Q/(m·ΔT), где Q - количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), m - масса вещества, ΔT - разность конечной и начальной температур вещества. Значения теплоёмкости многих стротиельных материалов представлены в таблице ниже.
Приведу еще для визуализации зависимость между теплопроводностью и теплоёмкостью некоторых маретиалов и ещё зависимость теплоёмкости и плотности:
Что же даёт нам эта характеристика материалов на практике?
Теплоёмкие материалы используют при возведении теплоустойчивых стен. Это важно для домов с периодическим отоплением, например, печным. Теплоёмкие материалы и стены из них хорошо аккумулируют тепло. Запасают его в период работы отопительной системы (печи) и постепенно отдают после выключения отопительной системы, позволяя тем самым поддерживать комфортную температуру в течение суток. Чем больше может быть запасено тепла в теплоёмкой конструкции, тем стабильней будет температура в помещении. Интересно заметить, что традиционный в домостроении кирпич и бетон имеют значительно меньшую теплоёмкость, чем например, пенополистирол, а эковата и вовсе в три(!) раза более теплоёмкая, чем бетон. Однако, в формуле теплоёмкости не зря задействована масса. Именно огромная масса бетона или кирпича в сравнении с той же эковатой позволяет в каменных стенах домов аккумулировать значительные количества тепла и сглаживать суточные колебания температур. И именно ничтожная масса утеплителя в каркасных домах, не смотря на бОльшую теплоёмкость, является слабым местом всех каркасных технологий.
Для решения описанной проблемы в каркасных домах устанавливают массивные теплоаккумуляторы - конструктивные элементы, имеющие высокую массу при достаточно высоком значении теплоёмкости. Это могут быть и какие-то внутренние стены из кирпича, массивная печь или камин, бетонные стяжки. Мебель в доме тоже является хорошим теплоаккумулятором, поскольку фанера, ДСП и любое дерево почти втрое больше может запасать тепла на килограмм веса, чем тот же кирпич. Недостаток такого подхода в том, что теплоаккумулятор необходимо проектировать ещё на стадии проектирования каркасного дома. В силу огромного его веса требуется заранее проектировать фундамент, представлять, как этот объект будет интегрирован в интерьер. Стоит отметить, что масса - это всё же не единственный критерий, нужно оценивать именно обе характеристики: массу и теплоёмкость. Даже золото со своим невероятным весом под 20 тонн на кубометр в качестве теплоаккумулятора будет работать лишь на 23% лучше, чем бетонный куб весом 2,5 тонны.
Но самым лучшим веществом для теплоаккумулятора является вовсе не бетон и даже не кирпич! Хороша медь, бронза и железо, но они уж чрезмерно тяжелы. Вода! Вода имеет огромную теплоёмкость, наибольшую среди доступных веществ. Ещё бОльшую теплоёмкость имеют газы Гелий (5190 Дж/(кг·К) и Водород (14300 Дж/(кг·К), но их немножко проблематично использовать...
Я посчитал количество запасённой тепловой энергии в 1 м³ и 1 тонне материала при ΔT=1 °С. Q=C·m·ΔT
Как видно из графического представления данных - с водой не может соперничать ни один материал по параметру количества запасённого тепла! Для того, чтобы запастись 1МДж теплоты нам понадобится 240 литров воды или почти 8 тонн золота! Вода в 2,6 раза больше накапливает тепла, чем кирпич (при одинаковом объёме). На практике это означает, что в качестве очень эффективного теплоаккумулятора лучше всего использовать ёмкости с водой. Реализация тёплого водяного пола так же поможет улучшить стабильность температурного режима.
Однако, эти рассуждения применимы для температур не выше 100°С. После закипания вода переходит в иное фазовое состояние и резко меняет свою теплоёмкость.
Математические упражнения
Для расчёта теплопотерь и системы отопления своего будущего дома я использовал специализированный программный продукт по расчёту элементов инженерных систем "VALTEC" от некоего ООО "Веста-Трейдинг". Программа VALTEC.PRG находится в открытом доступе и дает возможность рассчитать водяное радиаторное, напольное и настенное отопление, определить теплопотребность помещений, необходимые расходы холодной, горячей воды, объем канализационных стоков, получить гидравлические расчеты внутренних сетей тепло- и водоснабжения объекта. Так вот, используя эту чудесную бесплатную программку я высчитал, что теплопотери моего дома площадью в 152 квадратных метра составляют чуть менее 5 кВт тепловой энергии. В сутки выходит 120 кВт·ч или 432 МДж теплоты. Если допустить, что я буду использовать водяной теплоаккумулятор, который каким-либо источником тепла один раз в сутки разогреется до 85°С и будет постепенно отдавать тепло в систему тёплых полов до температуры 25°С (ΔT=60 °С), то для накопления 432 МДж теплоты мне потребуется ёмкость m=Q/(C·ΔT) , 432/(4,184·60)=1,7 м³.
А что было бы, если бы я установил в доме кирпичную печь, например. Разогретый в топке до 500°С кирпич весом в 1 тонну полностью компенсирует теплопотери моего дома в течение суток. При этом объём кирпича будет около 0,5 кубометра.
Особенностью моего проекта дома (в общем-то ничего особенного) является отопление тёплым водяным полом. Труба теплоносителя будет заложена в 7-и сантиметровый слой бетонной стяжки под всей площадю пола (152 м²) - это 10,64 м³ бетона! Под бетонной стяжкой планируется деревянное перекрытие по балкам с 25-ю сантиметрами пенополистирольного утеплителя - можно сказать, что через такой пирог утепления 1 м² пола будет терять тепла около 4 Вт, чем, конечно, можно смело пренебреч. Какова же будет теплоёмкость пола? При температуре теплоносителя 27°С бетонная стяжка впитает в себя 580 МДж теплоты, что эквивалентно 161 кВт·ч энергии и с лихвой перекрывает суточную потребность в тепле. Иными словами, зимой при -20°С (именно на такие температуры делался расчёт теплопотерь дома) мне нужно будет раз в два дня подогревать до 27°С пол, а если установить дополнительный водяной теплоаккумулятор на 1000 литров - то и вовсе раза два в неделю будет работать котёл!
Вот такая она, теплоёмкость при очень поверхностном рассмотрении.
Теплоусвоение
Коэффициент теплоусвоения (англ. U-value) отражает способность материала воспринимать теплоту при колебании температуры на его поверхности или, иными словами, этот коэффициент S показывает способность поверхности материала площадью в 1 м² усваивать теплоту в течение 1 с при температурном перепаде в 1 °С. Как это можно понять из повседневной жизни? Если приложить одновременно обе руки к двум поверхностям из бетона и пенопласта, имеющим одинаковую температуру, то первая будет восприниматься как более холодная - эксперимент ещё со школьных уроков физики. Это ощущение вызывается тем, что бетонная поверхность более интенсивно отбирает (усваивает) тепло от руки, чем пенопластовая, так как бетон имеет больший коэффициент теплоусвоения (Sбетона=18 Вт/(м²·°С), Seps=0,41 Вт/(м²·°С)), не смотря на то, что удельная теплоёмкость пенопласта в полтора раза больше, чем бетона.
Величина коэффициента теплоусвоения S материалов при периоде колебания теплового потока 24 ч пропорциональна коэффициенту теплопроводности λ , Вт/(м·K), удельной теплоёмкости с , Дж/(кг·K), и плотности материала ρ , кг/м³, и обратно пропорциональна периоду тепловых колебаний T , с (формула слева). Но в строительной практике используются формулы, учитывающие действие массового отношения влаги в материале и климатические условия эксплуатации. Дабы не загромождать вас ненужной инфой, предлагаю использовать уже вычисленные табличные данные из СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника" . Наиболее интересные я собрал в небольшую табличку.
Теплоизоляционные материалы высокой эффективности (меньшим коэффициентом теплопроводности) обладают весьма низким коэффициентом теплоусвоения, т.е. при изменении температуры поверхности отнимают меньшее количество тепла и поэтому активно применяются для изоляции сооружений и аппаратов с резко переменным режимом работы.
Колебания температуры на наружной поверхности материала вызывают в свою очередь и колебания температуры в самом материале, причём они будут постепенно затухать в толще материала.
О теплоусвоении материалов я в процессе стройки ещё не слышал ни от одного строителя - может сложиться впечатление, что это некий теоретический и не очень важный параметр. Однако это не так - теплоусвоение материалов внутренней отделки, например полов, напрямую влияет на ощущение комфорта. Сможете ли вы комфортно ходить по полу босиком, или весь год придётся носить тапочки? Для полов существуют нормы по предельному коэффициенту теплоусвоения. Нормативная величина теплоусвоения покрытия для полов жилых зданий, больничных учреждений, диспансеров, поликлиник, общеобразовательных и детских школ, детских садов - не более 12 Вт/(м2-°С); для полов общественных зданий, кроме вышеуказанных, вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий, участков с постоянными рабочими местами в отапливаемых производственных зданиях, где выполняются легкие физические работы (категория I) - не более 14 Вт/(м2-°С); для полов в отапливаемых помещениях производственных зданий, где выполняются физические работы средней тяжести (категория II) - не более 17 Вт/(м2-°С).
Показатель теплоусвоения не нормируется: в помещениях с температурой поверхности пола выше 23 °С; в отапливаемых производственных помещениях, где выполняются тяжелые физические работы (категория III); в производственных зданиях, если на участки пола постоянных рабочих мест укладывают деревянные щиты или теплоизолирующие коврики; в общественных зданиях, эксплуатация которых не связана с постоянным пребыванием в них людей (залы музеев и выставок, фойе театров и киноте" атров и т. п.).
Тепловая инерция
Тепловая инерция, это способность ограждающей конструкции сопротивляться изменению температурного поля при перемененных тепловых воздействиях. Она определяет количество волн температурных колебаний, располагающихся (затухающих) в толще ограждения.
Параметр теплоусвоения неразрывно связан с тепловой инерцией материалов. На рисунке, иллюстрирующем прохождение температурных волн в толще материала можно видеть длину волны, обозначенную как l . Число таких волн, располагающихся в толще ограждения, является показателем тепловой инерции ограждения. Численная величина этого показателя имеет название "массивности ограждения" и обозначается D. Она равна для однородного ограждения произведению его термического сопротивления R на коэффициент теплоусвоения материала S: D=RS.
D - величина безразмерная. В ограждении, имеющем D=8.5, располагается около одной целой температурной волны. При D < 8,5 в ограждении распологается неполная волна (т.е. запаздывание колебаний на внутренней поверхности по отношению к колебаниям на наружней поверхности менее одного периода; при Т=24 часа запаздывание менее суток), а при D > 8,5 - в толще распологается более одной температурной волны.
Для многослойных ограждений его массивность определяется как сумма массивности отдельных слоёв:
D=R1S1+R2S2+....RnSn, где
R1, R2, Rn - термическое сопротивление отдельных слоёв,
S1, S2, Sn - расчётные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоёв конструкции.
Ограждение считается:
Безынерционным при D < 1,5;
"Лёгким" при D от 1,5 до 4;
"Средней массивности" при D от 4 до 7;
"Массивным" при D > 7.
Интересно сравнить "массивность" D ограждения из, например, 20 см пенополистирола ПСБ-25 и глиняного кирпича:
D eps=R (0.2/0.035) * S (0.41)=2.34 (похолодание на улице скажется на температуре внутри примерно через 6,6 часов)
D кирпич=R (0.2/0.7) * S (9.2)=2.63 (похолодание на улице скажется на температуре внутри примерно через 7,5 часов)
Видим, что кирпичная кладка "массивнее" пенопласта лишь на 12% ! Интересный результат, но нужно отметить, что в реальности обычно используют более тонкую теплоизоляцию из пенопласта (стандартная СИП-панель - 15см EPS), а из кирпича делают более толстые стены. Так, при толщине кирпичной стены в 60 см параметр D=7.9 а это уже "массивное" строение во всех смыслах этого термина, температурная волна через такую стену будет проходить около 22 часов.
Тепловая инерция - безусловно, любопытное явление, но как его учитывать при подборе утеплителя? Мы можем представлять себе физический процесс прохождения тепловой волны через наш утеплитель, но если посмотрим на температуру внутренней поверхности (Tse), её амплитуду (A) и потери тепла (Q), то становится несколько не понятно, как этот параметр (D) может влиять на выбор. Например, возьмём толщину 30см:
Кирпичная стена D=3.35, A=2°C, Tse=15°C, Q=31;
Пенополистирол D=3.2, A=0.1°C, Tse=19,7°C Q=2.4;
Очевидно, что при почти равной тепловой инерции с пенопластом будет заметно теплее! Однако, тепловая инерция оказывает влияние на так называемую теплоустойчивость зданий. Согласно "Строительной теплотехнике " при расчётах тебуемых сопротивлений теплопередаче расчётная зимняя температура наружного воздуха зависит именно от тепловой инерции! Чем выше тепловая инерция, тем меньшее влияние оказывает резкое изменение температуры наружнего воздуха на стабильность внутренней температуры. Эта зависимость имеет следующий вид:
D <=1,5: Расчётная зимняя температура tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 98%;
1.5 < D < 4: tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 92%;
4 < D < 7: tн равна средней температуре наиболее холодных ТРЁХ суток;
D >7: tн равна средней температуре наиболее холодных ПЯТИ дней обеспеченностью 92%.
Как ни странно, но в этом же документе нету средней температуры наболее холодных трёх суток, но в СНиПе 23-01-99 есть пункт "температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 98%, я думаю, её вполне можно использовать для расчёта. Табличка слева (как всегда, есть расхождения в документах ). Поясню на примере:
Мы строим каркасный дом в Бресте, и утепляем его 15 см минваты. Тепловая инерционность конструкции D=1,3. Это значит, что во всех расчётах температуру наружного воздуха нам стоит принимать -31°С.
Мы строим дом в Бресте из газобетона толщиной 30 см. D=3,9. Температурные расчёты теперь мы можем проводить для -25°С.
Напоследок мы строим в Бресте дом из пущанского бруса диаметром 30 см. D=9,13. Его инерционность позволяет производить тепловые расчёты для температур не ниже -21°С.
Массивные теплоемкие стены летом могут выполнять функцию пассивного регулятора температуры в помещениях за счет суточной разницы температур. Остывшие за ночь стены охлаждают днем поступающий с улицы жаркий воздух, и наоборот. Такая регуляция полезна, когда среднесуточная температура воздуха комфортна для человека. Но если ночью не слишком прохладно, а днем очень жарко, то без кондиционера в каменном доме уже не обойтись. Зимой массивные наружные стены в качестве регулятора климата абсолютно бесполезны. Зимой холодно днем и ночью. Если дом отапливается не постоянно, а периодически, например, дровами, то в качестве аккумулятора тепла нужна массивная каменная печь, а не кирпичные наружные стены. Чтобы зимой наружные стены стали аккумулятором тепла их нужно хорошо утеплить снаружи! Но тогда летом эти стены уже не смогут быстро охладиться за ночь. Это будет тот же каркасный дом с утеплителем, но с внутренним аккумулятором тепла.
Для наглядной визуализации термических процессов, происходящих в толще однородного материала, я сделал интерактивную флешку, в которой можно подёргать входную и выходную температуры, поменять толщину материала в некоторых пределах и выбрать (из небольшого списка самых интересных с моей точки зрения) сам материал. Часть математики во флешке построена на формулах из СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", и может немного расходится с другими моими же примерами в силу чрезвычайно разнообразных данных по характеристикам одного и того же материала, по разнообразным требованиям к микроклимату от источника к источнику (СНиПы, КТП), и даже с расчётами во всяких методичках в силу произвольного округления как в методичках, так и с моей стороны=) Все расчёты, так сказать, ознакомительные.
Наверное, одной из важнейших составляющих комфортного проживания в доме является оптимальная температура. Из этой статьи вы узнаете, как рассчитывать теплоемкость и идеальный тепловой режим здания.
Правила расчета теплоемкости помещения
По норме температура в помещении зимой в среднем должна составлять не ниже 18 градусов (в угловых комнатах не ниже 20 градусов). Чтобы обогреть помещение в основном используют радиаторы секционного, панельного и трубчатого типов. Для стандартных отопительных приборов, как правило, устанавливается давление от 6 до 15 атм (в зданиях выше 16 этажей). Подбирая радиатор, нужно присмотреться к его тепловой мощности и рабочему давлению.
Необходимую мощность для прогревания помещения, рассчитывается так: умножаете площадь помещения (кв. м.) примерно на 0,1 Вт . При наличие хороших стеклопакетов в помещении, от той суммы, которая получилась, отнимите 10-20 процентов. Ну, а если помещение угловое, то нужно прибавить 25 процентов. Потеря мощности радиатора установленного под окном составляет примерно 10 процентов.
При неутепленном коробе батарея теряет примерно 15-20 процентов тепла. У одной секции радиатора теплоотдачу можно уточнить у продавца-консультанта или же на сайте производителя.
Конечно же, на объем тепла исходящего от нагревательного прибора, влияет не только текущая работа теплоносителя, но и количество поступающей воды. В общей системе отопления, возможно использовать и естественную циркуляцию воды и принудительную (для этого нужно дополнительно вмонтировать в систему циркуляционный насос). Это так же нужно учитывать при расчетах. Благодаря этому насосу, вода (теплоноситель) распределяется по системе равномерно (температура на верхней и нижней частях радиатора одинакова).
Формула тепловой мощности и другие варианты расчета теплового режима помещения
Если нужны расчеты более точные, то нужно использовать формулу тепловой мощности. В зависимости от прямого назначения помещения его тепловой режим может быть постоянным и переменным. Постоянный тепловой режим помещения круглосуточно поддерживается в административных, жилых и производственных зданиях. При определении отопительной нагрузки берется в расчет отдельный тепловой баланс каждого помещения. При этом необходимо чтобы каждая отопительная система компенсировала теплопотери.
Общая тепловая мощность для отопительной системы, в Ватт, можно определить по формуле:
Qт.м. =. Qогражд. + Qин – Qб
При этом:
Qогражд.
— является теплом потери от ограждающих конструкций (Ватт);
Qин.
— является теплопотерей от нагревания инфильтрирующего воздуха, что заходит через окна, щели, ворота и т.д. (Ватт);
Qб.
— приход тепла от бытовых источников (Вт).
Таплопотери ограждающих конструкций, (Ватт), можно определить по формуле:
Qогр. = Fnk (tв – tн) (1 +)
При этом:
F
— является общей площадью ограждения, (кв.м.);
n
— является коэффициентом расположения у наружной конструкции ограждения, в соотношении с наружном воздухом;
k
— является специальным коэффициентом теплопередачи у ограждения;
tв
— является общей температурой воздуха в помещение;
tн
— является температурой внешнего воздуха.
Вносимые дополнительные теплопотери: =1+4+5+2+3
При этом: 1— вносимые теплопотери в соотношении к сторонам света:
- Север= 0.1 – 1,
- Восток = 0.1 — З,
- Юг-Вост = 0.05 – 1 =0.05 Юг,
- Юг-Зап = 0 – 1 =0 2 — дополнительные теплопотери на продуваемость помещения, если наружных стен две и более.
В жилых помещения tв прибавляют на 2 градуса, в прочих — 2 (0.05), ну а 3 — дополнительные теплопотери при введенной расчетной температуре наружного воздуха. Берут для полов без подогрева (на первых этажах) при tн = — 40 градусов в размере 0.05. 4 – дополнительные теплопотери на специальный прогрев сквозного холодного воздуха, сквозь двери наружу. 5 — добавочная по высоте помещения. На каждый последующий метр более четырех, принимают 0.02, но не более 0.15.
Конечно, рассчитывая теплоемкость нужно учитывать, что некоторые людям приходится бороться с зимними холодами в помещении, а другим справляться с изнуряющей жарой, все это из-за ошибок в расчетах и проектировании.
Важно позаботиться о том, чтобы были установлены дополнительные устройства регулировки на батареях (краны-терморегуляторы).
Чтобы определить, какой толщины возводить стену при постройке дома, нужно научиться рассчитать теплопроводность стен. Этот показатель зависит от используемых строительных материалов, климатических условий.
Нормы толщины стен в южных и северных регионах будут различаться. Если не сделать расчет до начала строительства, то может оказаться так, что в доме зимой будет холодно и сыро, а летом слишком влажно.
Для чего нужен расчет
Толщина стен в южных и северных широтах должна отличаться Чтобы сэкономить на отоплении и способствовать созданию здорового микроклимата в помещении, нужно правильно и утеплительных материалов, которые будем использовать при строительстве. По закону физики, когда на улице холодно, а в помещении тепло, то через стену и кровлю тепловая энергия выходит наружу.
- зимой стены будут промерзать;
- на обогрев помещения будут затрачиваться значительные средства;
- сместиться , что приведет к образованию конденсата и влажности в помещении, заведется плесень;
- летом в доме будет так же жарко, как и под палящим солнцем.
Чтобы избежать этих неприятностей, нужно перед началом строительства просчитать показатели теплопроводности материала и определиться, какой толщины возводить стену, и каким теплосберегающим материалом ее утеплять.
От чего зависит теплопроводность
Проводимость тепла во многом зависит от материала стен Проводимость тепла рассчитывают исходя из количества тепловой энергии, проходящей через материал площадью 1 кв. м. и толщиной 1 м при разнице температур внутри и снаружи в один градус. Испытания проводят в течение 1 часа.
Проводимость тепловой энергии зависит от:
- физических свойств и состава вещества;
- химического состава;
- условий эксплуатации.
Теплосберегающими считаются материалы с показателем менее 17 ВТ/ (м·°С).
Выполняем расчеты
Сопротивление передаче тепла должно быть больше минимума, указанного в нормативах По теплопроводности является важным фактором в строительстве. При проектировании зданий архитектор рассчитывает толщину стен, но это стоит дополнительных денег. Чтобы сэкономить, можно разобраться, как рассчитать нужные показатели самостоятельно.
Скорость передачи тепла материалом зависит от компонентов, входящих в его состав. Сопротивление передачи тепла должно быть больше минимального значения, указанного в нормативном документе «Тепловая изоляция зданий».
Рассмотрим, как рассчитать толщину стены в зависимости от применяемых в строительстве материалов.
Формула расчета:
R=δ/ λ (м2·°С/Вт), где:
δ это толщина материала, используемого для строительства стены;
λ показатель удельной теплопроводности, рассчитывается в (м2·°С/Вт).
Когда приобретаете стройматериалы, в паспорте на них обязательно должен быть указан коэффициент теплопроводности.
Значения параметров для жилых домов указаны в СНиП II-3-79 и СНиП 23-02-2003.
Допустимые значения в зависимости от региона
Минимально допустимое значение проводимости тепла для различных регионов указано в таблице:
У каждого материала есть свой показатель проводимости тепла. Чем он выше, тем больше тепла пропускает через себя этот материал.
Показатели теплопередачи для различных материалов
Величины проводимости тепла материалами и их плотность указаны в таблице:
Теплопроводность строительных материалов зависит от их плотности и влажности. Одни и те же материалы, изготовленные разными производителями, могут отличаться по свойствам, поэтому коэффициент нужно смотреть в инструкции к ним.
Расчет многослойной конструкции
При расчете многослойной конструкции суммируйте показатели теплосопротивляемости всех материалов Если стену будем строить из различных материалов, допустим, минеральная вата, штукатурка, рассчитывать величины следует для каждого отдельного материала. Зачем полученные числа суммировать.
В этом случае стоит работать по формуле:
Rобщ= R1+ R2+…+ Rn+ Ra, где:
R1-Rn- термическое сопротивление слоев разных материалов;
Ra.l- термосопротивление закрытой воздушной прослойки. Величины можно узнать в таблице 7 п. 9 в СП 23-101-2004. Прослойка воздуха не всегда предусмотрена при постройке стен. Подробнее о расчетах смотрите в этом видео:
На основании этих подсчетов можно сделать вывод о том, можно ли применять выбранные стройматериалы, и какой они должны быть толщины.
Последовательность действий
Первым делом, нужно выбрать строительные материалы, которые будете использовать для постройки дома. После этого рассчитываем термическое сопротивление стены по описанной выше схеме. Полученные величины следует сравнивать с данными таблиц. Если они совпадают или оказываются выше, хорошо. 
Если величина ниже, чем в таблице, тогда нужно увеличить или стены, и снова выполнить подсчет. Если в конструкции присутствует воздушная прослойка, которая вентилируется наружным воздухом, тогда в учет не следует брать слои, находящиеся между воздушной камерой и улицей.
Как выполнить подсчеты на онлайн калькуляторе
Чтобы получить нужные величины, стоит ввести в онлайн калькулятор регион, в котором будет эксплуатироваться постройка, выбранный материал и предполагаемую толщину стен.
В сервис занесены сведения по каждой отдельной климатической зоне:
- t воздуха;
- средняя температура в отопительный сезон;
- длительность отопительного сезона;
- влажность воздуха.
Температура и влажность внутри помещения — одинаковы для каждого региона Сведения, одинаковые для всех регионов:
- температура и влажность воздуха внутри помещения;
- коэффициенты теплоотдачи внутренних, наружных поверхностей;
- перепад температур.
Чтобы дом был теплым, и в нем сохранялся здоровый микроклимат, при выполнении строительных работ нужно обязательно выполнять расчет теплопроводности материалов стены. Это несложно сделать самостоятельно или воспользовавшись онлайн калькулятором в интернете. Подробнее о том, как пользоваться калькулятором, смотрите в этом видео:
Для гарантировано точного определения толщины стен можно обратиться в строительную компанию. Ее специалисты выполнят все необходимые расчеты согласно требованиям нормативных документов.
