Тепло вашего дома

Из школьного курса физики мы знаем, что тепло всегда передается от тела более теплого к более холодному. И если зимой в доме, не имеющем центрального отопления, вы не будете регулярно топить печь, он остынет достаточно быстро. Можно сжигать в печи дрова или уголь, включить автономный котел, работающий на газе или мазуте, или устроить систему электрообогрева всех помещений, но в любом случае для поддержания нормальной температуры в доме вам необходимо тратить средства на оплату энергоносителя. И если ваш дом построен, мягко выражаясь, не в соответствии со строительными нормами, вы будете тратить денег тем больше, чем быстрее тепло будет уходить из дома.

Какую же конструкцию стены и какой утеплитель использовать при возведении дома? Энергия стоит дорого из всех видов энергии, потребляемой при эксплуатации жилья, наибольшая часть любой из них уходит на поддержание комфортной температуры в помещении. А цены на энергоносители — электроэнергию, газ, мазут и др., — постоянно растут. Дом в целом можно представить как некую систему, в которой происходит непрерывный процесс передачи тепла (рис. 1).

Оплаченный энергоноситель поступает в дом, где он преобразуется в тепло. Если система находится в равновесии (температура воздуха внутри дома постоянна), то для сокращения затрат на обогрев необходимо уменьшить потери тепла из дома. Все процессы в системе происходят за счет обмена энергией при тепловом движении молекул и являются процессами теплопередачи. Теплопередача осуществляется тремя способами:

1) теплопроводностью — обменом энергией между хаотически движущимися молекулами тела;

2) конвекцией — перемещением массы жидкости или газа, приводящим к теплообмену;

3) излучением — посредством электромагнитных волн (например, инфракрасных).

В тепловых процессах внутри дома присутствуют все три вида. В теплогенераторе за счет теплопроводности нагревается поверхность ТЭНа, далее конвекцией теплоносителя тепло подается к отопительному прибору.

В отопительном приборе тепло за счет теплопроводности переносится на наружную поверхность, где нагревает воздух комнаты: возникает конвекция воздуха, при которой в радиаторах значительная часть тепла передается излучением, а в конвекторах — лишь несколько процентов. За счет конвекции воздух нагревает стены. Сквозь толщу стены тепло переходит за счет теплопроводности на ее наружную сторону, а с нее — конвекцией — в атмосферу. Внутри двойной рамы окна тепло также передается конвекцией.

Для расчетов необходимо знать не просто количество теплоты (измеряемое в джоулях), которое теплогенератор отдает дому и далее дом теряет на «нагрев улицы», а количество теплоты в единицу времени ОД (Джоуль/секунду = Ватт). Поэтому мощность генераторов (АОГВ, печь, котел с ТЭНами), как и потери тепла домом, измеряется в ваттах.

Теплотехнические свойства строительных материалов в основном определяются коэффициентом теплопроводности — очень важной характеристикой. Он зависит от плотности материала, влажности воздуха, вида пор строительного материала, заполненных воздухом, от средней температуры, при которой происходит теплопередача и т.д. Чем больше этот коэффициент, тем интенсивнее передается тепло.

Наиболее характерна его зависимость от плотности (кг/м3) — чем плотнее материал, тем лучше он передает тепло. Рыхлые, пористые материалы — хорошие теплоизоляторы. Увлажнение материала также повышает коэффициент теплопроводности, т.е. ухудшает теплоизолирующие свойства материалов. Для помещений с нормальной влажностью воздуха (50-60%), расположенных в нормальной зоне влажности, например, Центрального и Черноземного районах России, значения коэффициента теплопроводности некоторых материалов представлены в таблице.

Основной показатель качества ограждающей конструкции (стены, перекрытия) — величина сопротивления материала теплопередаче Р , измеряется в м2 °С/Вт. Термосопротивление определяют по формуле: В = CxA где C — толщина слоя материала, (м); А, — коэффициент теплопроводности материала, (Вт/м°С).

Чем больше значение В, тем лучше теплозащитные свойства материалов, тем дом теплее. Чтобы увеличить сопротивление, нужно или увеличить толщину ограждающей конструкции или применять материал с меньшим коэффициентом теплопроводности, что очевидно из формулы (1).

Термосопротивления некоторых однородных строительных материалов представлены на рис. 2 (а-г).

Из рисунка видно, что если взять лист пенополистирола толщиной всего 3 см, то примерно такое же сопротивление теплопередачи имеет кирпичная стена толщиной 510мм ( в два кирпича) или стена из бруса толщиной 100 мм.

Понятно, что по стоимости эти материалы сильно различаются. Конструкция ограждения может состоять из нескольких слоев. Как и в электротехнике сопротивления последовательно расположенных слоев суммируются. Сопротивления двух слоев стоек каркаса (балок) и утеплителя между ними (рис. 3, в) вычисляются по формуле:

Р=(Р1+Р2)/(Р1/В1+Р2/В2)

где Р — общее термосопротивление стены, Р1 — площадь слоя дерева, Р2 —площадь слоя утеплителя, Р1 — термосопротивление дерева, Р2 — термосопротивление утеплителя.

На рис. 3 (а-в) показаны 3 фрагмента стены равной толщины (упрощения обшивка на них исключена).

Видно, что за счет внесения в стену теплопроводного материала (дерево, по сравнению с минеральной ватой) — термосопротивление стало выше, чем у чистого утеплителя. Но тем не менее, сопротивление каркасной конструкции (при плотном прилегании утеплителя к стойкам и отсутствии щелей) больше, чем у конструкции цельной стены из бруса.

Каркасный дом теплее брусового, и стены у них одинаковой толщины. Часто в рекламе фирм, продающих стройматериалы (в частности-угеплители), приводится показатель, дающий понять, во сколько раз материал по теплопроводности эффективнее полнотелого кирпича.

Например, пенополистирол эффективнее силикатного кирпича примерно в 17 раз. При толщине материала 5 см его термосопротивление В = 1,0 м20С/Вт. Это эквивалентно сплошной стене из силикатного кирпича толщиной 0,87 м.