В холодное время года обязательно отапливаются комнаты, в которых люди живут и работают. Чем холоднее погода, тем больше приходится топить, потому что при похолодании увеличиваются тепловые потери через стены, окна и все наружные ограждающие конструкции. Тепло может передаваться разными способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением.
В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах. Теплота передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении (рис. 7.1). Высокой теплопроводностью обладают плотные материалы – металл, железобетон, мрамор. Воздух имеет низкую теплопроводность. Поэтому через материалы с большим количеством замкнутых пор, заполненных воздухом, тепло передается плохо, и они могут использоваться как теплоизоляционные (щелевой кирпич, пенобетон, вспененный полиуретан, пенопласт).
Рис. 8.1. Передача тепла через кирпичную стену вследствие
эффекта теплопроводности: 1 – штукатурка, 2 – кирпичная кладка
Конвекция характерна для жидких и газообразных сред, где перенос тепла происходит в результате движения молекул. Конвективный теплообмен наблюдается у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом. В окнах жилых домов конвективный теплообмен происходит между поверхностями остекления, обращенными внутрь воздушной прослойки. Нагреваясь от внутреннего стекла, теплый воздух поднимается вверх. При соприкосновении с холодным наружным стеклом воздух отдает свое тепло и, охлаждаясь, опускается вниз (рис. 7.2.). Такая циркуляция воздуха в воздушной прослойке обусловливает конвективный теплообмен. Чем больше разность температур поверхностей, тем интенсивнее теплообмен между ними.
Рис. 8.2. Передача тепла конвекцией в межстекольном пространстве
оконного блока со спаренным остеклением: 1 – стекло,
2 – воздушная прослойка, 3 – переплет, 4 – оконная коробка
Излучение происходит в газообразной среде путем передачи тепла с поверхности тела через пространство (в виде энергии электромагнитных волн). Нагретая поверхность радиатора излучает тепло и обогревает помещение. Чем выше температура поверхности отопительного прибора, тем сильнее обогревается помещение. На теплопотери через ограждения наибольшее влияние оказывает их способность передавать теплоту, которая зависит от коэффициента теплопередачи и толщины материала.
Чем меньше коэффициент теплопередачи и толщина стен, тем больше ее термическое сопротивление (передача тепла) и лучше ее теплозащитные свойства. Кроме того, количество теряемой теплоты зависит от сопротивления теплообмену конвекцией и излучением у поверхности внутренней и наружной стен.
Чем интенсивнее происходит теплообмен, тем больше тепла теряется из помещения и передается внутренней поверхности конструкции или отдается поверхностью стены наружу, тем меньше сопротивление теплообмену и хуже теплозащита.
Теплопотери через отдельные наружные элементы дома различны и во многом зависят от теплоизоляционных качеств отдельных конструкций, а также их размеров. Наибольшая площадь наружных ограждений приходится на наружные стены. Поэтому их теплозащитные качества во многом определяют условия внутреннего микроклимата помещения. Чем выше сопротивление стены теплопередаче, тем меньший поток тепла через нее проходит, меньше теплопотери. В зависимости от конструкции стен через них теряется до 35 – 45 %. Передача тепла через стены осуществляется главным образом вследствие теплопроводности. Количество тепла, проходящего через стену, зависит от коэффициента теплопередачи материала к. Чем он выше, тем больше теплоты проходит через материал, и хуже его теплозащита. Различные строительные материалы имеют разные коэффициенты теплопередачи. На них влияют различные факторы, в частности, плотность и влажность материала.
Плотный материал имеет больший коэффициент теплопередачи по сравнению с пористым материалом. Увеличение плотности способствует повышению к. Уменьшение плотности приводит к снижению к. Это объясняется тем, что поры строительного материала заполнены воздухом, имеющим низкий коэффициент теплопередачи. Чем больше пор в материале, тем меньше его плотность и теплопроводность. Например, у железобетона плотностью 2500 кг/м3 коэффициент теплопередачи к = 2,04 Вт/(м2·К), у кладки из обыкновенного глиняного кирпича плотностью 1800 кг/м3 – к = 0,81 Вт/(м2·К), у фанеры плотностью 600 кг/м3 – к = 0,18 Вт/(м2·К), у плит из полистирольного пенопласта плотностью 100 кг/м3 – к = 0,05 Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи, к – единица, которая обозначает прохождение теплового потока мощностью 1 Вт сквозь элемент строительной конструкции площадью 1 м2 при разнице температур наружного воздуха и внутреннего в 1 Кельвин, Вт/(м2·К).
Сопротивление теплопередаче – величина, обратная коэффициенту теплопередачи, (м2·К) / Вт.
Влажность способствует повышению теплопроводности: сырой материал имеет больший коэффициент теплопередачи и обладает худшими теплозащитными характеристиками по сравнению с сухим. Это вызвано тем, что при увлажнении материала его поры заполняются водой, имеющей высокий коэффициент теплопередачи (приблизительно в 20 раз больший, чем воздух). Например, при повышении влажности кирпичной стены толщиной 0,5 м из обыкновенного глиняного кирпича от нормальной, равной от 2 %, до 8 %, теплозащита ухудшается более чем на 30 %. Если при температуре внутреннего воздуха + 20 °С и наружного – -20 °С на поверхности сухой стены температура составляет 14,4 °С, то на сырой стене на 2,7 °С ниже и равняется 11,7 °С (рис. 7.3 б). Поэтому для теплозащиты домов очень важно, чтобы строительный материал, и в первую очередь утеплитель, был обязательно сухим, а конструкции наружных ограждений были сделаны с таким расчетом, чтобы в них не образовывался конденсат, не скапливалась влага, приводящая к ухудшению теплоизоляционной способности стен, окон, чердачных перекрытий, полов первого этажа.
Рис. 8.3. Влияние влажности материала на теплозащитные свойства кирпичной стены:
а) – сухая стена, влажность материала 5 %; б) – сырая стена, влажность материала 15 %
Таким образом, теплозащитная способность стены, ее сопротивление теплопередаче зависят от интенсивности передачи тепла на трех участках (у внутренней поверхности, в толще ограждения, у наружной поверхности), каждый из которых имеет свое сопротивление. Общее сопротивление теплопередаче представляет собой их сумму (рис. 7.4).
Оконные проемы в общей площади наружных ограждений составляют значительно меньший процент по сравнению со стенами. Однако они имеют худшую теплозащиту: сопротивление теплопередаче оконного блока с двойным остеклением в 2 – 3 раза меньше, чем у наружных стен. Поэтому через окна теряется значительное количество теплоты: 20 – 30 % всех теплопотерь дома.
На потери тепла через стены (и особенно через окна и стыки оконных коробок со стенами) сильное влияние оказывает ветер. Поскольку строительные материалы и конструкции являются в большей или меньшей степени воздухопроницаемыми, то через них воздух может проникать с улицы в помещение и из помещения на улицу. Если воздух попадает снаружи внутрь дома, то это называют инфильтрацией, если из помещения наружу, то эксфильтрацией.
Рис. 8.4. Сопротивление теплопередаче стены: 1 – теплообмен у внутренней
поверхности стены, 2 – теплопередачи через толщу ограждения, 3 – теплообмен
у наружной поверхности стены; αв – коэффициент теплоотдачи внутренней
поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2·К), αнз – коэффициент теплоотдачи
наружной поверхности ограждающей конструкции для зимних условий, Вт/(м2·К)
При инфильтрации через конструкцию стены, стыки и неплотности окон в зимний период проникает холодный воздух. Проходя через толщу стены, он вызывает снижение температуры внутри ограждения и на его поверхности, проникая в комнату, охлаждает внутренний воздух и вызывает дополнительные потери тепла. Наибольшие теплопотери при инфильтрации происходят через окна и стыковые соединения оконных блоков со стенами.
При эксфильтрации теплый воздух проходит из помещения через наружное ограждение, повышая температуру на его поверхности и в толще, способствуя увеличению теплопотерь жилого дома. Помимо этого при эксфильтрации повышается вероятность выпадения конденсата на стене, остеклении, оконных откосах и внутри ограждений. Очевидно, что фильтрация воздуха приводит к увеличению теплопотерь через ограждения почти в 2 раза. Потери тепла через перекрытия первого этажа в большинстве случаев составляют 3 – 10 % общих теплопотерь. При строительстве дома необходимо качественно выполнить теплоизоляцию цокольного перекрытия и обеспечить на поверхности пола температуру не более чем на 2 °С ниже температуры внутреннего воздуха.
В холодное время года часть тепла теряется через крышу, причем в одноэтажных, двухэтажных домах потери больше, чем в многоэтажных. Они составляют соответственно 30 – 35 % и 5 – 10 %. Поэтому при проектировании и строительстве индивидуальных малоэтажных домов особое внимание должно быть уделено теплоизоляции перекрытия верхнего этажа или чердачного перекрытия. Часто на втором этаже индивидуального двухэтажного дома устраивают жилые комнаты – мансарды. В них крыша играет роль наружного ограждения, защищающего помещение от дождя, ветра, холода. Надежная теплоизоляция перекрытия верхнего этажа или чердачного перекрытия создают уют и тепловой комфорт, снижают затраты на отопление дома, а в солнечную погоду позволяют защитить комнату от перегрева.
Каждая квартира оборудована системой естественной вытяжной вентиляции. Вентиляционные отверстия расположены в ванной комнате, туалете и на кухне на внутренних стенах, в верхней их части, и прикрыты металлическими или пластмассовыми решетками. Это – вытяжные отверстия. Через них вытяжной воздух из помещений удаляется на улицу. По законам физики работа этой системы зависит от разности температуры в помещении и на улице. Чем ниже температура воздуха на улице, тем лучше она работает и больше теплого воздуха удаляется. На смену ему, благодаря создаваемому вытяжной вентиляцией разрежению в квартире через щели в окнах, открытые форточки, двери, поступает холодный наружный воздух. Причем в холодную пору года действительный объем вентиляции зачастую намного превышает требуемую норму, приводя к увеличению затрат на отопление, так как через систему вентиляции теплопотери составляют до 15 %.
Таким образом, типовая структура расхода тепловой энергии зданием выглядит следующим образом:
наружные стены 35 – 45 %;
окна 20 – 30 %;
вентиляция 15 %;
горячая вода 10 %;
крыша, пол 5 – 10 %;
трубопровод, арматура 2 %.
Наружные стены, окна, крыша защищают наш дом от низких температур, сильного ветра, осадков в виде дождя и снега и других атмосферных воздействий. При этом они препятствуют прониканию тепла из внутреннего помещения наружу вследствие своего сопротивления теплопередаче. Все строительные конструкции, огораживающие и защищающие внутренние помещения от атмосферных воздействий, называются ограждающими. Конструкции, воспринимающие нагрузку и обеспечивающие прочность здания, называют несущими. Это колонны, балки, перекрытия, стропила. Чтобы сделать дом теплым, необходимо правильно выбрать материал, учитывая его теплозащитные свойства именно для ограждающих конструкций.
Тепловая изоляция
Качество теплоизоляции является важнейшим параметром энергопотребления здания. Коэффициент теплопередачи должен находиться в пределах от 0,3 Вт/(м2·К) до 0,2 Вт/(м2·К).
Следует запомнить, что снижение потерь тепла на 7 – 9 % позволяет увеличить температуру в помещении на 1 °С.
В строительной практике применяются разнообразные теплоизоляционные материалы. К основным из них относятся:
- легкие бетоны (керамзитобетон, перлитобетон, шлакобетон, газобетон, пенобетон и др.);
- «теплые» растворы (цементно-перлитовый, гипсо-перлитовый, поризованный и др.);
- изделия из дерева и других органических материалов (плиты древесностружечные, фибролитовые, камышитовые и др.);
- минераловатные и стекловолокнистые материалы (минераловатные маты, минераловатные плиты мягкие, полужесткие, жесткие и повышенной жесткости на различных связующих, плиты из стекловолокна и др.);
- полимерные материалы (пенополистирол, пенопласт, пенополиуретан, перлитопластобетон и др.);
- пеностекло или газостекло, а также другие композиционные материалы и изделия из них.
Использование конкретного материала для теплозащиты стен зависит от целого ряда факторов, определяющими из которых являются: долговечность; требуемая толщина слоя теплоизоляции; возможное место расположения материала на стене; масса теплоизоляционной конструкции; стоимость материала; трудоемкость устройства; возможность поставки материала на строительную площадку.
В современном строительстве стеновые конструкции для облегчения делают многослойными. Утеплитель, как правило, располагают между слоями из бетона или кирпичной кладки. При утеплении уже возведенных зданий утеплитель может крепиться на наружной или внутренней стенах. Предпочтительней изоляцию проводить снаружи (рис. 7.5. а, б), так как в противном случае сокращается полезная площадь помещений, возникает необходимость переноса электрооборудования, имеется вероятность выпадения конденсата и образования плесени, требуется выселение жильцов на время ремонта. Внутреннюю теплоизоляцию стен обычно проводят для зданий, являющихся памятниками архитектуры. Разработаны и внедрены различные технологии теплоизоляции существующих зданий. Стеновые конструкции утепляют плитными материалами, закрепляемыми на стенах, поверх которых наносится штукатурка или другие защитные влагостойкие материалы. Одним из наиболее распространенных утеплителей является минеральная вата. Утепление стен повышает комфортные условия в помещении. Температура внутренней поверхности стены увеличивается с 13 – 14 °С до 18 – 19 °С, что ведет к уменьшению излучения. При этом относительная влажность в стеновой конструкции уменьшается с 82 % до 36 %, снижая риск конденсации и разрушения. Система утепления наружных стен позволяет снизить потери тепла до 40 %.
Рис. 8.5. Установка дополнительного стекла на картонную или резиновую прокладку:
а) – вид в плане, б) – вид в разрезе; 1 – замазка, 2 – резиновая или картонная прокладка, обмазанная краской, 3 – переплет, 4 – скрепленные между собой стекла.
Для теплоизоляции перекрытий применяют как плитные, так и насыпные материалы. Для утепления крыш весьма удобными являются рулонные материалы, укладываемые между стропилами. При утеплении крыш и перекрытий дополнительно используются парозащитные пленки, которые препятствуют выпадению конденсата. Эффективность изоляции крыш и чердачных перекрытий выше у малоэтажных зданий, чем у многоэтажных. Для одно-, двухэтажного коттеджа потери уменьшаются на 20 %, для девятиэтажного дома – на 3,5 %.
Наибольшие потери тепла сосредоточены в мостиках холода. Различают геометрически обусловленные мостики холода и обусловленные конструкцией и материалами. В первом случае потери тепла возрастают за счет увеличения наружных поверхностей теплообмена в углах зданий, при наличии выступов. Во втором – за счет отличий теплотехнических свойств материалов стен и опор перекрытия перемычек. Например, кирпичная кладка и железобетон имеют коэффициенты теплопроводности 0,7 и 1,5 Вт/(м2·К). Специальные приемы теплоизоляции мостиков холода позволяют снизить теплопотери приблизительно в два раза.
Значительное количество тепла, как мы говорили выше, теряется через окна. В домах старой постройки, значение коэффициента теплопередачи окон может достигать 3,5 Вт/(м2·К). При этом потери составляют почти 50 % от тепла, потребляемого на отопление.
В идеале заполнения оконных проемов должны обладать такими же характеристиками по защите от шума, потери тепла и прочности, как и стеновые ограждающие конструкции, обеспечивая при этом необходимую освещенность, комфортное проветривание, простоту и удобство в эксплуатации.
Сопротивление теплопередаче применяемых окон должно быть не ниже установленного в Республике Беларусь показателя Rq > 0,6 (м2·К)/Вт. Этого можно достичь следующими средствами:
- установка дополнительного остекления или переплета в оконный проем (см. рис. 9.5);
- установка металлизированной пленки (рис. 7.6);
Рис. 8.6. Установка металлизированной пленки: 1 – стекло, покрытое
металлизированной пленкой; 2 – стекло из пленки; I – поток тепла, прошедший через окно; II – излучение, отраженное металлизированной пленкой.
- устройство с наружной стороны окна экрана, выполненного из непрозрачных пластин;
- установка штор, жалюзи-экранов с внутренней стороны помещения;
- размещение различных экранов в межстекольном пространстве.
В таблице 7.1 приведены данные по сопротивлению теплопередаче с использованием различных вариантов конструкционных решений при заполнении оконных проемов.
Таблица 7.1
Сопротивление теплопередаче различных вариантов конструкционных решений при заполнении оконных проемов
| Конструкции | Общее сопротивление теплопередаче, м2 К/Вт |
| Одинарное стекло | 0,17 |
| Двойное стекло | 0,38 |
| Тройное стекло | 0,62 |
| Двойное стекло + штора | 0,46 |
| Двойное стекло + две шторы | 0,55 |
| Двойное стекло + штора, покрытая алюминиевым лаком | 0,64 |
| Двойное стекло + деревянные ставни | 0,52 |
| Тройное стекло + штора | 0,70 |
| Тройное стекло + две шторы | 0,73 |
| Тройное стекло + штора, покрытая алюминиевым лаком | 0,88 |
| Тройное стекло + деревянные ставни | 0,76 |
| Тройное стекло + ставни, покрытые алюминиевым лаком | 0,83 |
Один из путей снижения затрат тепловой энергии – применение вентилируемых окон, которые позволяют повысить температуру внутренней поверхности остекления и дать экономию энергии в результате обеспечения жилых домов свежим подогретым воздухом, необходимым для вентиляции помещения. В окнах такой конструкции делают дополнительные отверстия в нижней части наружного и верхней части внутреннего переплетов.
Улучшить условия теплового комфорта и повысить температуру внутренней поверхности окна можно за счет обдува остекления теплым воздухом. Наиболее простым способом создания восходящих струй теплого воздуха является просверливание отверстий в подоконной доске, находящейся над отопительным прибором. Нагретый воздух, поднимаясь вверх, позволит не только повысить температуру остекления, но и уменьшить влияние инфильтрующего через окно холодного воздуха. Поверхность стены, находящуюся под окном за отопительным прибором, рекомендуется утеплить, а поверх теплоизоляции устроить экран из блестящей алюминиевой фольги, отражающий излучаемое батареей тепло внутрь комнаты.
Сейчас для заполнения оконных проемов широко применяются стеклопакеты. Стеклопакет представляет собой изделие, состоящее из двух или более слоев стекла, соединенных между собой по контурам; таким образом, что между ними образуются герметически замкнутые полости, заполненные обезвоженным воздухом или другим газом (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Схема стеклопакета
Наибольший эффект достигается при использовании в стеклопакете одного из стекол с селективным покрытием, способным отражать тепловые волны внутрь помещения и одновременно пропускать снаружи солнечное тепловое излучение. Только за счет применения в стеклопакете такого стекла, а также введения в межстекольное пространство более плотного, чем воздух, газа, например аргона, криптона или ксенона, можно добиться величины термического сопротивления, приближающейся к единице. Исследования показывают, что конструктивные решения окон, и прежде всего их стеклянной части, смогут способствовать достижению термического сопротивления теплопередаче, равного 1,8 – 2,0 (м2·К)/Вт.
Для того чтобы снизить объем вентиляции зимой, рекомендуется частично прикрывать вытяжные вентиляционные отверстия. Поскольку они оборудованы нерегулируемыми решетками, прикрыть их можно плотной бумагой или картоном. Вентиляционное отверстие, расположенное в ванной комнате, лучше всего совсем закрыть. При открытом вентиляционном отверстии влага сразу же из ванной комнаты удалялась бы на улицу, а при закрытом она будет поступать в комнаты, увлажняя воздух. Это благоприятно скажется на микроклимате квартиры и самочувствии жильцов. Дело в том, что влажный воздух дает ощущение теплоты, а сухой – холода. Поэтому зимой увлажнение воздуха в помещении улучшает комфортное состояние людей.
Таким образом, существующий потенциал энергосбережения в жилищно-бытовом секторе может быть реализован за короткое время самими жильцами с помощью простых, недорогих и эффективных способов.