Всё что надо знать о строительной физике или ликбез для самостройщика

Николай 1, по первому пункту Вы абсолютно правы - конечно можно отапливаться. А вот то что так никто не делает - это заблуждение. Те же тёплые полы довольно много энергии отдают излучением. Но там и конвекции хватает, а вот низкотемпературные потолочные обогреватели - это в чистом виде Ваш вариант. Вот, например можно ознакомится с водяными потолочными ИК нагревателями подробнее. Они, правда работают при минимальной температуре в 40С, но это исключительно из-за экономических соображений - сделать небольшую, но горячую панель дешевле, чем покрывать всю поверхность помещения низкотемпературными нагревателями.

 

Попытаюсь прояснить. К сожалению, то что Вы здесь называете рекуперацией тут таковой не является. Рекуперация - это когда энергию забираем из того, что всё равно выбрасываем (воздух из вытяжки, воду из канализации) и отдаём эту энергию тому, что забираем в дом. В Вашей схеме с баком на чердаке все немного не так. Воду мы уже внутрь помещения закачали. Вода холодная - будет охлаждать тёплый, поднявшийся вверх воздух который в свою очередь будет охлаждаться и опускаться вниз - охлаждая жильцов. Если запретить этому воздуху опускаться, то и тёплому воздуху на чердаке взяться будет неоткуда. Короче, жильцы начнут подмерзать и подкинут дровишек или добавят газу.

На самом деле, предложенная Вами схема с точки зрения энергоэффективности вредна, т. к. размещая не-термоизолированный бак вверху - в самой тёплой точке помещения - Вы тем самым нагреваете холодную воду до более высокой температуры, а значит и выбрасываете с ней на улицу больше тепла. Кроме того есть и другой минус - конденсат, который будет образовываться на баке и с которым придётся бороться. Поэтому водо-накопительные баки (для холодной воды) лучше размещать в самых холодных помещениях (ессно с положительной температурой) - лучше в подвалах или термоизолировать их.

Что касается нелюбви lt654 к рекуператорам воздуха и вообще к принудительной вентиляции - согласен с его аргументами и тоже считаю, что в бытовых условиях овчинка не стоит выделки. Но это уже не физика, а наши тараканы, так что решайте сами - причин использовать иле не использовать рекуператоры может быть много.

Что же касается совета

То да, конечно - такая схема действительно является реальным рекуператором канализационных стоков, только схема эта мне категорически не нравится.

1. А ну как засор? Чем длиннее труба - тем сложнее прочищать.
2. Не бывает абсолютно герметичных стыков канализационных труб, поэтому ароматы будут прорываться. Знаю по личному опыту - в офисе у нас канализационная труба от 2-х унитазов проходит через тех-помещение длиной метров 5 (3 стыка труб). Поэтому лучше, чтобы канализационные трубы были покороче и проходили по минимуму помещений.
3. Если цоколь тёплый, то заберёте из воды не так уж и много энергии, а если холодный, то не дай бог замёрзнет вода в каком нибудь сифоне. И еще - септику для нормальной работы нужно тепло. если сливать туда зимой воду с температурой около 0С, то он плохо работать будут - замёрзнут бациллы

Так что вынужден констатировать - всё еще не знаю нормальных схем экономии на канализации. Разве что предложенный lt654 биокомпостирующий туалет, но это на любителя, да и на унитаз воды всё же надо меньше, чем на мытьё и она там вся холодная, так что тоже не особый вариант. Увы

 

Это вообще формула для излучения в пустоту, а теплообмен между нагретыми телами (все окружение отопительного прибора обычно нагрето) рассчитывается "немного" сложнее, и такого результата в реале никогда не будет.

 

Так все излучают типа в пустоту - но при этом еще и поглощают прилетевшее. А вот баланс уже считать сложнее.

Чтобы был такой результат - достаточно излучать в космос. Имхо атмосфера (без облаков) достаточно мало поглощает на длинах волн такого излучения, а видимый космос в местном секторе галактики имеет температуру в единицы кельвинов и возвращает совсем мало излучения.

 

Здесь интересно отметить тот факт, что тепловое излучение ощущается телом весьма слабо.
Я специально проверял насколько хорошо тело ощущает тепловое излучение от батареи отопления нагретой до +80 град.
Так вот, ощущение от излучения по сравнению с ощущением от потока теплого воздуха идущего от этой же батареи просто ничтожно.
Если "верить" своим ощущениям (а не расчетам), то получается что между конвекцией и излучением отличие на ПОРЯДОК, не меньше.
В пользу конвекции разумеется.
А вот теперь, пожалуйста, объясните мне почему это так.

 

У каждого из нас свои тараканы в голове. У меня между кухней и санузлом 14 метров с одним поворотом 90 гр. Труба 50, цоколь теплый, +6-8 град, 15 лет эксплуатации, крышку ревизии ни разу не откручивал. Чтобы работал зимой септик, нужно обеспечить рассеивание стоков на поле фильтрации. Про бактерий не волнуйтесь, если не будете их травить хлоркой они прекрасно живут и зимой, питаясь дерьмом при этом согревая септик. Делайте нормальную разуклонку и не делайте резких поворотов и все будет работать .

 

Так я отвечал на пост, где разговор (и расчет по представленной формуле) шел об отоплении дома или обогреве человека, а не пустоты. И в этом случае интересен баланс, а не отдача в одну сторону, т. е. формула будет другая, и результат тоже.

 

Это только если солнце в зону видимости не попадет.

 

Николай 1, Ваши чувства Вас не обманывают - обычные батареи отопления в основном отдают энергию именно путём конвекции. При этом, как говорят спецы (я сам не проверял), радиаторы отдают излучением порядка 30% энергии, а около 70% - конвекцией. А конвекторы (не зря они так называются ;-) - отдают конвекцией более 90% тепла. Как я уже сказал - за точные цифры ручаться не могу, но тенденция легко объяснима.
Давайте посмотрим на радиатор:

При высоте 60см и ширине 1 м, площадь его поверхности будет порядка 2.5м2 - с такой поверхности будет тепло отдаваться конвекцией, а излучением - раза в 2-3 меньше, поскольку внутренние поверхности излучают тепло не в комнату, а друг на друга, да еще и ставят радиаторы обычно вплотную к стенам. Короче, у радиаторов эффективная площадь конвекции Sконв=2.5м2, а излучения - Sизл=1м2. При этом кол-во энергии конвекцией - 70%, излучением - 30%

Теперь взглянем на конвектор:

Это змеевик с напаянными лепестками, да еще и помещённый в кожух. Если шаг напайки лепестков - 5мм, и у нас как на картинке - 2 ряда лепестков площадью 10х20см, то в те же габариты 0.6х1м влезет площадь рассеяния. Sконв=1м/0.005м*0.1м*0.2м*2ряда*2стороны=16м2 при этом даже без кожуха площадь излучения будет Sизл=1м*(0.2м+0.1м)*2*2ряда=1.2м2. Т. е. площадь конвекции по сравнению с радиатором увеличилась в 6 раз, а площадь излучения - та же. А если добавить кожух, то эффективность конвекции повысится благодаря тяге, а эффективность излучения резко упадёт, поскольку кожух будет иметь температуру существенно ниже радиаторных лепестков.

Короче, Вы сами видите, что ничего удивительного в том, что конвекторы почти всё тепло отдают именно конвекцией нету. Всё это сделано специально для того, чтобы обеспечить максимальную теплоотдачу в минимальном объёме. Ну а как бонус рекламируется низкая температура кожуха - действительно обжечься о конвектор достаточно сложно. Минусов у конвекторов тоже хватает, но это уже другая история.

Если теперь вернуться к тёплому полу, то у него Sконв=Sизл, и нет специально ориентированных каналов для движения воздуха, поэтому доли тепла, передающегося конвекцией и излучением у теплого пола примерно равны.

Надеюсь на Ваш вопрос, Николай 1, я ответил и Вы не станете больше противопоставлять свой жизненный опыт расчетам . Вообще, хочу напомнить "теоретикам" , что суть физики - попытаться построить модели реального мира и объяснить наблюдения. И если наблюдения противоречат расчётам, то значит расчеты неправильные. Надо пересчитать. Если всё равно не сходится - значит модель неправильная - чего то не учли - надо менять модель.

 

Здесь можно отметить и ещё одно интересное обстоятельство- в продаже я не видел радиаторов отопления для расположения их на стенах (под окнами) и сделанных специально для отопления излучением.
У меня стоят современные биметаллические радиаторы и даже они покрашены в белый цвет, хотя с точки зрения теплофизики они должны быть черного цвета.
Получается, что подавляющее большинство отопительных приборов сделаны именно для конвекционного отопления, а не отопления излучением.
Это можно наглядно увидеть на полках магазинов, где все радиаторы отопления почему-то белого цвета.
Неужели производители приборов отопления не разбираются в теплофизике?

 

А их и нету. Чтобы излучить в комнату энергии с площади 1-2м2, которая имеется под окном надо очень сильно нагреть этот самый излучатель (градусов эдак до 300С). А это опасно. Кроме того, окна обычно завешивают занавесками, поэтому наш гипотетический излучатель нагревал бы занавески, а уж потом занавески большей частью путём всё той же конвекции обогревали бы помещение.

Более того - точечный источник излучения не очень комфортен и он не создаёт теплового завеса перед окном, что прекрасно удаётся конвекторам и обычным радиаторам.

Совершенно верно!

Производители разбираются в теплофизике получше меня, поэтому они понимают, что во-первых доля излучения не очень велика и бороться за ее повышение смысла особого нет. Во-вторых, продать белую батарею проще. Ну и, наконец, при температуре радиатора в 80С доля излучения, приходящийся на видимый диапазон ничтожна. В основном такие радиаторы излучают в дальнем инфракрасном диапазоне, а какого "цвета" радиаторы в этом диапазоне невооруженным глазом не увидеть - вполне возможно, что они аспидно-чёрные .

 

Частота их излучения пропорциональна температуре поверхности, поэтому при изменении Т изменяется и частота излучения.
В этой связи нужно отметить и тот факт, что атмосфера поглощает ИК излучение (как это не странно для многих).
Это поглощение зависит от концентрации газов, водяного пара, аэрозолей и т. п.
Коэффициент поглощения сильно зависит и от длины волны.
Поглощение в атмосферных газах связано с явлениями молекулярного резонанса, поэтому наблюдаются полосы частот сильного поглощения, разделенные "окнами прозрачности" в которых поглощение невелико.
Очень много полос поглощения в длинноволновой части ИК диапазона 10 - 100 мкм.
"Окна прозрачности" имеются вблизи длин волн 10-12 мкм, 4 и 2,3 мкм, 1.7 мкм, 1,2 мкм 1,05 мкм.

Как можно видеть на рисунке, затухание ИК излучения может достигать 10 раз и более.

Да, поэтому излучательные приборы нужно использовать с умом, а не лепить их везде где захочется.

 

Продолжим наш ликбез и попытаемся понять как на комфортность проживания влияет теплоёмкость здания. Теплоёмкость измеряется в Дж/К и показывает сколько энергии запасают конструкции дома при его нагреве на 1 градус. Теплоёмкость дома прямо пропорциональна общей массе дома и удельной теплоёмкости его конструкционных материалов. Теплоёмкость и теплосопротивление - это две совершенно независимые характеристики. Например, дом сделанный из полнотелого кирпича имеет очень большую теплоёмкость за счёт очень большой массы. Но в то же время теплосопротивление кирпича весьма посредственное - надо делать очень толстые стены, а это еще больше массы и как следствие теплоёмкости. С другой стороны, каркасный дом утеплённый пенопластом имеет очень низкую теплоёмкость, поскольку пенопласт очень лёгкий, зато теплосопротивлению пенопласта можно только позавидовать.

Давайте прикинем теплоёмкости типичных в последнее время конструкций домов - кирпичного и каркасного. Дома возьмём одноэтажные размерами 10х10х3м с внутренней несущей стеной и двумя перегородками по всей длине дома. В кирпичном доме перекрытия цоколя и этажа возьмём из пустотных плит с цементной стяжкой/штукатуркой. В каркасном - перекрытия естественно по деревянным балкам. Толщину несущих стен кирпичного дома примем минимально допустимой - 1.5 кирпича, или 38см. Снаружи кирпичный дом дополнительно утеплим минватой.

Расчёты требуют много буковок, и еще больше циферок, поэтому напишу я их тут меленькими буквами - только для спецов, чтобы дать им возможность найти ачепятки и прочие мои косяки. Остальные читатели могут спокойно пропустить весь мелкий шрифт.

Толщину утеплителя кирпичного дома и толщину стен каркасника рассчитаем так, чтобы конструкционные теплопотери домов были равны теплопотерям нашего первого, газобетонного дома, который мы рассчитывали ранее - 3885-1428=2457Вт при разнице температур 40К (вычли потери через окна). Что даёт коэффициент теплопотерь конструкций здания F=2457Вт/40К=62Вт/К. Стало быть коэффициент сопротивления теплопередаче (R) ограждающих конструкций нашего дома должен быть R=S/F=300/62=4.84м2*К/Вт​

​

Для кирпичных стен коэффициент теплопроводности К=0.81Вт/м*К, толщина 38см => Rстен=d/K=0.38/0.81=0.47м2*К/Вт​

Для ж/б перекрытия R находим по справочнику Rплит=0.39м2*К/Вт. И то и другое гораздо меньше требуемых 4.84м2*К/Вт, поэтому будем доутеплять минватой (К=0.045). Толщина минваты на стены - Dстен=R*K=(4.84-0.47)*0.045=19см, на перекрытия - Dпер=(4.84-0.39)*0.045=20см. Так что утепляться будем 20-см слоем.​

​

Вооружившись справочными данными: плотность кирпича 1800кг/м3, минваты 145кг/м3, дерева (сосны) 520кг/м3; нормативная масса перекрытий - 525кг/м2; удельная теплоёмкость бетона - 840Дж/(кг*К), кирпича - 880Дж/(кг*К), базальта - 840Дж/(кг*К), дерева (сосны) - 2300Дж/(кг*К); определим:​

- массу несущих стен Мнес=(100+30)*0.38*1800=89т и их теплоёмкость (энергию запасаемую стеной при повышении температуры на 1 градус) Wнес=89*880=78.3МДж/К. ​

- массу перегородок, толщиной в полкирпича Мпер=3*20*0.12*1800=13т, и их теплоёмкость - Wпер=13*880=11.4МДж/К. ​

- массу перекрытий Мплит=200*525=105т, и их теплоёмкость Wплит=105*840=88.2МДж/К. ​

- массу утеплителя Mваты=0.2*(100+200)*145=8.7т, и его теплоёмкость - Wваты=8.7*840=7.3МДж​

Теплоёмкость всего дома узнаём сложив теплоёмкости всех частей, учтя, что утеплитель нагревается только наполовину.
Итого получаем Wкирп=Wнес+Wпер+Wплит+Wваты/2=182МДж/К

Толщину стен каркасника возьмём стандартную - 15см, а требуемого теплосопротивления дома добъёмся за счёт утепления перекрытий - надо будет взять слой 28см. Примерная удельная масса каркасной стены 50кг/м2, масса деревянных перекрытий толщиной 30см не более 100кг/м2. Отсюда определяем​

- массу несущих стен Мнес=(100+30)*50=6.5т​

- массу перегородок Мпер=3*20*30=1.8т​

- массу перекрытий Млаг=200*100=20т​

Общая масса дома - Мкар=Мнес+Мпер+Млаг=28.3т, из которых вес минваты Мваты=(100*0.15+200*0.3)*145=10.9т, а вес дерева - Мдер=28.3-10.9=17.4т​

​

Теплоёмкость каркасного дома получается Wкар=(Мваты*Сваты+Мдер*Сдер)/2. На 2 разделили опять потому, что утеплитель нагревается лишь наполовину от температуры внутри дома.​

Итого, теплоёмкость каркасника - Wкар=(10.9*840+17.4*2300)/2=24.6МДж/К.

Как видим, теплоёмкость кирпичного дома, даже при минимально возможной толщине стен оказывается в 7.4 раза больше теплоёмкости каркасника. Обратите внимание, что при расчёте массы мы учитываем только конструктив теплового контура, т. е. фундамент, декоративную отделку кирпичом/сайдинг, кровлю мы не учитываем, поскольку эти элементы не отапливаются и не создают запасов тепловой энергии.

Попробуем теперь понять как теплоёмкость влияет на тепловой режим внутри здания и его тепло-инерционность. Энергия, запасённая зданием определяется его теплоёмкостью и температурой E=W*T, а изменение этой энергии (dE) при изменении температуры (dT) - dE=W*dT. Но источником этой энергии за время dt является система отопления мощностью P за минусом потерь, то есть dE=(P-F*(T-Tнаруж)*dt. В итоге у нас получается не что нибудь, а самое настоящее дифференциальное уравнение (я сам в шоке!):

И как пишут в умных книжках - путём элементарных преобразований - получаем из этого диффура формулу нагрева/остывания дома:

Тут мне стало непонятно как мои предки ухитрились не замёрзнуть не зная интегралов? Если Вам тоже непонятно как оно так получается или Вы нашли где то ошибку - пожалуйста, спрашивайте/жалуйтесь в личку - если действительно ошибка - напишем в тему без лишнего флейма.

Подставив в эту формулу известные нам значения теплоёмкости W для каждого дома, коэффициент теплопотерь пустого здания (без учёта вентиляции и канализации) Fпуст=3885/40=97Вт/К, температуру улицы -20С, а также начальную температуру внутри дома +20С получим графики остывания кирпичного и каркасного домов:



Более подробно мы обсудим эти графики чуть позже, а пока заметим, что за 5 суток температура кирпичного дома опустилась до +11.8С, а каркасного - до -12.7С. И вот тут наступил вечер пятницы и в наши дома приехали дачники-горожане. Они включили систему отопления и хотят побыстрее согреться. Нарисуем графики нагрева обоих домов для системы отопления мощностью 10КВт и 30КВт. Учтём, что коэффициент теплопотерь жилого здания увеличился за счёт вентиляции и канализации почти в 2 раза - Fжил=6685/40=167Вт/К. Напомню также, что для поддержания комфортной температуры нам хватает 6,7КВт тепла.
Вот что получается:



На мой взгляд графики более чем интересные - обсудим их в следующий раз.

 

Реально одноэтажный 10х10 м дом требует 9 тонн минваты на утепление ?

 

Совсем не обязательно. Здесь потребовалось столько ваты во-первых для того, чтобы обеспечить требуемое теплосопротивление, а во-вторых потому что для упрощения расчетов я на утепление перекрытий использовал ту же вату, что и на стены - плотностью 145кг/м3 В реальности там надо использовать менее плотную вату, а на цоколь и вовсе какую-нибудь разновидность пенопласта.

Но для расчёта теплоёмкости это хорошо, что я взял вату потяжелее, т. к. я не учитывал мебель и прочую обстановку дома.