Всё что надо знать о строительной физике или ликбез для самостройщика

Почитав Форум пришел к заключению, что многие люди совершают ошибки при проектировании, строительстве и эксплуатации своих домов из-за отсутствия элементарных (они же фундаментальные) знаний физики и непонимания основных физических процессов, происходящих при эксплуатации дома. Иногда диву даёшься от того, каким образом народ пытается решить те или иные проблемы и сколько усилий и денег тратит на заведомо бессмысленные или вредные мероприятия. А продавцы всяческих "вернейших средств" им в этом с радостью (и с прибылью) помогают. Попытаюсь в этой теме на пальцах и даже близко не подходя к границам школьной программы по физике и математике объяснить суть основных физических явлений с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни при эксплуатации дома и указать возможные способы использования этих явлений с тем, чтобы минимизировать потери и увеличить пользу от них.

Я по образованию инженер-физик. Работаю в ИТ и со строительством связан лишь постольку, поскольку в данный момент строю своему семейству домик. Т. е. ни капли не строитель и ни разу не продавец каких то инженерных систем, материалов и т. п. Поэтому имею возможность (и желание) быть достаточно объективным, но не имею возможности (и желания) знать все тонкости использования строительных материалов, формулировки СНиПов, характеристики грунтов и т. п. Но этого и не требуется. Ставлю перед собой задачу объяснить именно самые базовые закономерности, чтобы у людей не возникало вопросов "почему после замены электроконвектора с 1КВт на 2КВт температура в комнате с 10С поднялась до 12С, а не в 2 раза?" или "кто виноват, что у меня треснула фундаментная плита, хотя я в неё вбухал 100 тонн арматуры?".

Надеюсь тема кому то поможет. Надеюсь также, что специалисты по конкретным строительным вопросам нам помогут разобраться в случаях, если школьной физики не хватит.

 

В нашем климате основными текущими затратами при эксплуатации дома, а также серьёзными капитальными затратами при строительстве являются затраты на отопление. Поэтому начну именно с темы отопления, теплопотерь и прочих аспектов обеспечения теплового режима дома.

Итак! Начнём с того, что определимся с целью - для чего нам нужно отопление? Чтобы поддерживать в доме высокую температуру воздуха? Нет. Чтобы компенсировать теплопотери? Снова нет! Единственной целью отопления является обеспечение теплового комфорта жильцов. Эта задача может быть решена и без поддержания высокой температуры воздуха и без компенсации теплопотерь. Чуть позже расскажу как. А пока давайте определимся что же такое "тепловой комфорт".

Что измеряет термометр?
Для этого сначала выясним что же меряет термометр. Так вот термометр меряет исключительно свою собственную температуру и ничего больше! Чтобы термометр измерил температуру воздуха надо еще очень сильно постараться. Как минимум убрать его в тень, изолировать от контакта с другими предметами, обеспечить свободную циркуляцию воздуха, избавиться от влажности и т. д.
С другой стороны, а нужно ли нам знать эту пресловутую температуру и зачем? Где то я встречал описание вот такого эксперимента, в котором все мы участвовали: представьте себя летом на пляже, светит яркое солнце, дует бриз, неподалёку виднеется скала с узкой расщелиной. По радио сказали, что температура воздуха +30С, однако стоять на песке невозможно - пятки обжигает. Достаём термометр, поднимаем над головой, ждём минутку, смотрим на шкалу - видим, что градусник нам показывает +80С - можно жарить яичницу. Это понятно, говорим мы себе - все же знают, что температуру надо измерять в тени! Идём под пляжный зонтик. Пятой точкой чувствуем, что тут прохладней. Но мы же физики - нам нужны измерения - поднимаем термометр, ждём минутку - смотрим - уже 45С. Лучше, но и близко не 30С, как сказали лживые метеорологи. Наверное термометр не успел остыть? Ждём еще 10 мин - как было 45С, так и осталось. Все таки метеорологи врут? Но тут откуда ни возьмись появляется облачко и закрывает солнце. Пятая точка моментально сигнализирует, что стало прохладней. Ждём минутку, смотрим на термометр - 35С! О как! Чувства опять не обманули. Но неужели за несколько секунд воздух успел остыть на 10 градусов? Выходим из под зонтика, идём в сторону скалы. Пятки жжёт - это понятно - песок не успел остыть, а градусник поднимается до 40С. С чего бы это? Он же как был в 2-х метрах от земли пока мы стояли под зонтиком, так и остался. Облачко улетает, градусник моментально поднимается до 80С - это понятно - солнце напекло. Подходим к скале, заходим в её тень - опаньки, а градусник то наш не сломался ли? - показывает 25С! Но пятки и пятая точка подсказывают, что термометр не врёт. Ладно - идём дальше, заходим в расщелину - становится зябко - смотрим на градусник +18С. Почему же так? Ведь ветер в расщелине ровно тот же, что и в ста метрах от нее около зонтика. Как он успевает то нагреться до 80С, то остыть до 18С и что такое говорят метеорологи про какие то 30С, когда ни на солнце, ни в тени наш градусник эту температуру не показывал?

Конечно же, воздух и не думал нагреваться до 80С и остывать до 18С. Всё это время он был нагрет, как и обещали синоптики до 30С. А вот термометр наш, несмотря на то, что он всё время омывался этим самым воздухом, как раз и нагревался и остывал. Не хило так! От 18С до 80С! При реальной температуре воздуха в 30С! Ну ты, физик, загнул! - скажете Вы, но будете неправы Всё это чистая правда. Можете проверить. И никакой магии.

Всё дело в том, что термометр показывает свою собственную температуру, а температура эта обуславливается установившимся термодинамическим равновесием градусника, то есть будет она такой, чтобы градусник получал и отдавал одинаковое количество энергии в единицу времени. Градусник наш будучи твёрдым телом может обмениваться энергией с миром двумя способами - теплообменом с воздухом и излучением. С теплообменом с воздухом всё ясно - был бы только он, то градусник нагрелся бы (или остыл) до температуры воздуха и её бы и показал. Но есть еще и излучение - вот оно то и "портит" всю картину.
Еще в позапрошлом веке, австрийские учёные (к ним у меня больше доверия, чем к британским ;-) гг. Стефан и Больцман выяснили, что любое нагретое тело излучает энергию с мощностью
P=S*e*b*Т4. тут S - площадь, e - степень черноты, b - константа = 5.67*10−8. Дж/(с*м2*К4.), Т - абсолютная температура (в Кельвинах). Т. к. наш градусник имеет вполне конкретную площадь и степень черноты, то мощность его излучения зависит только от его собственной температуры (зато в четвёртой степени!). То есть чем наш градусник горячее, тем сильнее излучает - ничего удивительного.
С другой стороны, любое тело воспринимает излучения от других тел ровно с тем же энтузиазмом, что и излучает (в этом и суть термодинамического равновесия - сколько излучаем, столько и воспринимаем - в целом баланс). И обмен лучистой энергией возникает лишь при разнице температур.
Вооружившись этими нехитрыми знаниями возвратимся на наш пляж. Теплопотери градусника на всём протяжении эксперимента определялись его температурой в 4-ой степени на излучение и разницей температуры с воздухом на теплообмен. А получал энергию градусник каждый раз из разных источников.

• Когда мы стояли на открытом солнце - от солнца (Т=6000С) сверху и песка (Т=90С) снизу, а также отраженное от песка излучение. Солнце, конечно, гораздо горячее, но относительно маленькое, а песок хоть и холоднее, но занимает почти всю нижнюю полусферу. Это излучение и нагрело наш градусник до 80С
• Когда мы спрятались под зонтик, то "выключили" солнце, заменив его на зонтик, с температурой порядка 70С (зонтики обычно белее песка, кроме того обдуваются ветром и сверху и снизу), "вырезали" тенью от зонтика достаточно большой кусок горячего песка, заменив его на песок более прохладный (чуть больше 30С). В результате приток излучения к градуснику снизился и он остыл до 45С
• Когда солнце спряталось за облаком, то из энергетического баланса градусника исчезли лучи солнца, отраженные от песка и температура градусника еще снизилась (до 35С)
• Когда вышли из под зонтика, то вернули градуснику горячий песок в полном объёме (под тенью зонтика песок был остывшим до почти 30С) и градусник нагрелся до 40С
• Когда зашли в тень скалы, то полностью убрали солнце, убрали почти весь горячий песок а взамен добавили тёплый песок (30С) и холодную скалу (~15C). (Скала в тени имеет температуру, чуть меньше среднесуточной благодаря высокой теплопроводности и большой теплоёмкости камня). В результате градусник остыл до 25С
• Когда, наконец, забрались в расщелину, то вокруг градусника всё пространство заняла холодная скала и если бы не тёплый воздух, то градусник остыл бы до ее температуры (15С), но тёплый воздух даёт нашему градуснику немного энергии за счёт теплообмена, которая и позволила установиться тепловому балансу градусника на уровне 18С.

 

Комфортная температура для человека
С градусником разобрались, а с человеком в целом всё то же самое. Ощущение холода зависит не от температуры, а от энергетического баланса - если энергии поступает меньше, чем расходуется, то человек мёрзнет, если расходуется меньше, чем поступает - страдает от жары. В зависимости от обстоятельств, комфортная температура воздуха для человека может составлять от -20С до +40С. Вот для наглядности фотки красаффцев-спортсменов с катка Медео в Казахстане (medey.kz). Скептиков, которые могли бы возразить, что температура воздуха высокая, просто лёд искусственный прошу обратить внимание на задний план, где видно, что вокруг катка лежит снег, то есть температура воздуха не выше нуля.

Про этот знаменитый каток я узнал от своей мамы, которая с физикой никогда не дружила, но в молодости была в Алма-Ате и с восторгом рассказывала, как она при -5С каталась в Медео на коньках в одном купальнике.
Человек с точки зрения физики, которая как известно изучает сферических коней в вакууме, отличается от градусника лишь тем, что в его энергетическом балансе участвует энергия, не только от теплового и излучательного обмена с внешней средой, но и химическая энергия, добываемая человеком из еды. Эта дополнительная энергия приводит к тому, что человек в комфортном термодинамическом равновесии будет теплее градусника, расположенного рядом. (оговорка о комфорте здесь очень важна, так как у человека есть мощная система охлаждения, которая позволяет нам достаточно продолжительное время выдерживать температуру гораздо выше комфортной - посмотрите на термометр в сауне). Давайте рассчитаем комфортную температуру окружающего воздуха для человека по формуле Стефана-Больцмана. Расчет произведём для неподвижного человека в помещении, находящемся в термодинамическом равновесии (то есть ветра нет, температура всех стен, пола и потолка равна температуре воздуха). Диетологи утверждают, что среднестатистичексий офисный мужчина тратит в день ~2000ккал. Переведём в джоули. 1ккал = 4.2кДж стало быть в день наш мужчина тратит P=8.4МДж (мега-джоулей = миллионов джоулей), или ~97Дж в секунду. А джоули в секунду в народе называются Ваттами, то бишь человек за счёт еды выделяет мощность порядка 100 ватт.
Известно также, что температура кожи у человека примерно Тч=32С=305K. Площадь кожных покровов человека ростом 180см и весом 80кг S=2 м2. Ну и для простоты расчёта будем считать человека абсолютным негром чёрным телом. Подставив все эти данные в формулу получим уравнение (извините, но физики без формул не бывает , я и так 3 страницы держал себя в руках )
S*b*(Тч^4-Тк^4)=P, откуда найдём комфортную температуру - Тк=Корень4 (Тч^4-P/S*b)=297K=24C
Напоминаю, что это расчет для голого сферического офисного негра не занятого физической деятельностью.
Если же занять человека физическим трудом, то его среднесуточные энергозатраты по данным всё тех же диетологов возрастут примерно в 2 раза - до 4000ккал, стало быть тепловая мощность - до 200Вт, а значит для всё еще голого каменщика комфортная температура будет уже 288К=15С
Как видим, разница весьма существенная, но это еще не всё. Люди носят одежду! То есть теплоизолируют бОльшую поверхность своего тела. Одежда настолько эффективна, что позволяет без дополнительных энергозатрат сделать комфортной температуру окружающего воздуха вплоть до -20С (я как то в Новосибирске в Январе не угадал с одеждой - пришлось частично раздеваться при -35С - вспотел, однако). Вот, например, замечательная фотка из японского ледяного отеля


Одежда - идеальное с точки зрения энергоэффективности решение проблемы отопления жилища, однако наши культурные традиции не позволяют нам его использовать - русский человек хочет ходить по дому если не в труселях, то хотя бы в майке. А ведь стоит одеть тонкий свитерок и шерстяные носочки и/или делать по 10 приседаний каждые 15 мин и Вы не только укрепите иммунитет, сердечно-сосудистую систему и сбросите лишний вес, но и сэкономите на отоплении кругленькую сумму.
Не хотите следовать доброму совету? Тогда читайте дальше - в следующих частях расскажу какие есть варианты создания комфортной температуры для офисного трутня в майке. И сколько это может стоить

 

Тепловые потери здания
Жилые дома практически никогда не находятся в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. То бишь они либо остывают, теряя энергию, либо нагреваются, потребляя энергию. Нам (в России) наиболее интересно зимнее отопление, когда дом остывает, а его энергопотери мы вынуждены компенсировать из внешних источников.
Основные теплопотери дома происходят
А) Через ограждающие конструкции
Б) Через вентиляцию
В) Через канализацию

Для примера расчёта теплопотерь возьмём одноэтажный дом площадью 100м2 размерами 10х10х3 метра в котором зимой постоянно проживают 4 человека. И посчитаем сколько тепла нужно этому дому на компенсацию естественного остывания при температуре за окном -20С
Начнём с конца и посчитаем потери через канализацию. Нормы потребления воды на человека составляют 240л холодной и 160л горячей в сутки. Однако по факту реальное потребление воды примерно вдвое меньше - примем расход в 120л холодной и 80л горячей. Зимой вода поступает в дом при температуре +5С. А после этого холодная вода нагревается до комнатной температуры +20С, а горячая - до +70С. Теплоёмкость воды 4200 Дж/(л*К), стало быть в сутки на нагрев воды потратим
4*4200*(20-5)*120+4*4200*(70-5)*80 = 30МДж + 87 МДж = 117 МДж = 33 КВт*ч энергии. Стало быть затраты мощности на водоснабжение составят ~1.4КВт.
Всю эту энергию придётся вылить в трубу. Попытки как то рекуперировать эту энергию приводят к ухудшению работы септиков (или иных очистных сооружений), а то и вовсе к их замерзанию и мне неизвестны удачные примеры ее использования. Так что запомним эту цифру - 1.4КВт.

Посчитаем теперь затраты на вентиляцию. Для нашего дома (10х10х3 метров) имеем объём воздуха 300м3, массу 360кг (плотность воздуха ~1.2 кг/м3) и значит при разнице температуры внутри и снаружи дома в 40С (снаружи -20С, внутри +20С) с учетом теплоёмкости воздуха ~1000 Дж/(кг*К) он содержит запас энергии в
360*40*1000 = 14.4 МДж = 4КВт*ч
Нормы воздухообмена определяют кратность воздухообмена в 0.35 раз/час, то бишь 8.4 раз/сутки или для нашего дома 2500 м3. Поэтому на вентиляцию потратим 4*8.4=33.6 КВт*ч энергии в сутки (или мощность нагревателей воздуха должна быть 1.4 КВт).

Отсюда становится очевидна степень полезности рекуператоров. В простейшем случае рекуператор берёт кубометр воздуха из дома, кубометр воздуха с улицы, нагревает уличный воздух за счёт тепла воздуха из дома до их средней температуры (в нашем случае это 0С) и подаёт подогретый воздух в дом, а на улицу выводит охлаждённый воздух. Такой простейший рекуператор позволяет сэкономить 50% энергии на нагрев воздуха, то есть даёт нам 0.7 КВт экономии мощности системы отопления. Апологеты энергосбережения могут мне возразить, что на самом деле рекуператоры устроены хитрее и могут забрать из тёплого воздуха более половины энергии. И это правда. Могут. Однако даже при охлаждении воздуха до 0С из него начинает выпадать конденсат, а при дальнейшем охлаждении этот конденсат еще и заледенеет и вашему рекуператору придётся несладко. Поэтому в условиях индивидуального домостроения даже 50% эффективность рекуператора это очень хорошо. Поэтому запомним 2 цифры - затраты мощности на вентиляцию 1.4КВт и максимальная экономия на рекуперации - 0.7КВт

Перейдём теперь к ограждающим конструкциям - стенам, полу, потолку, окнам и дверям, тепло через которые уходит без переноса воздуха (Если стены "дышат" или холодный воздух проникает в здание через входную дверь, то эти потери мы уже учли в расходах на вентиляцию). Для того чтобы посчитать сколько тепла теряется через ограждение надо площадь ограждения умножить на коэффициент сопротивления теплопередаче (обозначается буквой R) и умножить на разницу наружной и внутренней температур. К моему сожалению, более-менее точный расчёт для всех случаев жизни здесь невозможен по той причине, что во-первых R напрямую зависит от толщины конструкции (а толщина стены в домах может меняться в 10 раз - от 10см до метра), а во-вторых R зависит от теплопроводности материала конструкций и тоже может различаться на порядки (от 1,69 Вт/м*К у железобетона до 0,038Вт/м*К у пенополистирола - разница в 44 раза). В итоге, дома могут отличаться по энергоэффективности в десятки (!) раз.
Поэтому, здесь я приведу простенький пример примерного расчёта теплопотерь для утеплённого дома из пенобетона, чтобы во-первых проиллюстрировать как это делается, а во-вторых на его примере сравнить теплопотери через ограждения с другими видами теплопотерь, обсудить различные способы энергосбрежения и их экономическую целесообразность.

Расчёт теплопотерь через ограждающие конструкции
Итак, произведём расчёт для одноэтажного дом на ростверковом фундаменте с полами по деревянным лагам 50х200мм с утеплением пенополистиролом, толщиной несущих стен 400мм из газобетона плотностью 400кг/м3, утеплённых минватой, холодным чердаком и перекрытием первого этажа деревянными лагами 50х200мм с утеплением минеральной ватой. Для окон возьмём двойные стеклопакеты с широким пластиковым профилем. Входную дверь сделаем двойную и утеплим пенопластом.
Напомню, что размеры нашего домика 10х10х3 м, температура внутри +20С, снаружи -20С.

Начнём с пола. Лаги для полов лежат у нас с шагом 500мм, стало быть на ширину 10м потребуется 21лага шириной 0.05м и длиной 10м. Всего площадь дерева в полу получается 0.05*10*21=10.5м2, а площадь пенопласта, соответственно 100м2-10.5м2=89.5м2
Коэффициент теплопроводности ищем в справочниках - для сосны поперёк волокон - 0.1Вт/(м*К), для пенополистирола плотностью 40кг/м3 - 0.038Вт/(м*К).
Мощность теплопотерь находим перемножая площадь ограждения на разность температур и на коэффициент теплопроводности материала и разделив на толщину ограждения. Для лаг получаем Pлаг=10.5*(20+20)*0.1/0.2=210Вт, для пенопласта - Рпп=89.5*(20+20)*0.038/0.2=680Вт и в сумме мощность теплопотерь через пол получим Pпола=210+680=890Вт

Теперь стены. Площадь стен (10+10+10+10) м*3м=120м2 за минусом двери и окон. Дверь одна 2м2, окна 1.5м х 1.5м по 2 на каждую сторону, т. е. в сумме 1.5х1.5*8=18м2. Стало быть площадь стен 120-2-18=100м2. Коэффициент теплопроводности газобетона 0.11Вт/(м*К), минваты фасадной - 0.045Вт/(м*К). Толщина газобетона 0.4м, толщина минватного утеплителя 0.1м2
Коэффициент сопротивления теплопередаче (R) для многослойных конструкций определяется суммой коэффициентов для каждого слоя, то есть Rстен=Rгб+Rваты. R каждого слоя находим разделив толщину слоя на его Коэффициент теплопроводности. Rгб=0.4/0.11=3.64м2*К/Вт, Rваты=0.1/0.045=2.22м2*К/Вт и в сумме Rстен=3.64+2.22=5.86м2*К/Вт
Теперь, умножив площадь стен на разницу температур и разделив на R получим потери мощности через стены: Pстен=100*(20+20)/5.86=623Вт.

Для окон R узнаём по справочникам и/или у производителей окон. Для наших пластиковых окон с двойными стеклопакетами Rокон=0.51м2*К/Вт, поэтому мощность теплопотерь Pокон=18*(20+20)/0.51=1400Вт.

Для двойной входной двери имеем конструкцию из 5см пенопласта+20см воздуха+еще 5 см пенопласта (теплосопротивление металла двери примем равным нулю). Коэффициент R слоя воздуха толщиной 20 см смотрим по справочнику - 0.19м2*К/Вт. В результате получим Rдвери=0.05/0.038+0.19+0.05/0.038=2.82м2*К/Вт и мощность теплопотерь Pдвери=2*(20+20)/2.82=28Вт

Ну и, наконец, для потолков расчёт производим аналогично полу, только вместо пенополистирола берём минвату с коэффициентом теплопроводности 0.041Вт/(м*К). Получаем Рваты=89.5*(20+20)*0.041/0.2=734Вт и для всего потолка Pпотолка=Pлаг+Pваты=210+734=944Вт

Результаты сведём в табличку

Результаты, как видите очень занимательные. Обсудим их и подумаем где и как экономить в следующий раз

 

Какой золотой человек! Спасибо за отличный материал! Красавчик!
Интересно, знают ли все эти принципы современные проектировщики коттеджей? Я только собираюсь строить свой коттедж и переживаю за все моменты. Особенно за обогрев дома, не знаю, чем лучше обогревать - газом или электричеством

 

JaguarXF, спасибо за добрые слова. Тему продолжу - сам сейчас строюсь и пока не забыл какие вопросы меня самого волновали - решил записать. Что касается выбора типа отопления - на 80% он должен определяться экономическими причинами и на 20% - индивидуальными предпочтениями, типа лень/не лень подбросить дров или напрягает/не напрягает газгольдер, закопанный у дома. (Правда похоже, что в реальности рулят тараканы в головах, заботливо подкармливаемые рекламой, слухами, понтами и т. п. ). Лично Вам сейчас посоветовать не могу - не знаю данных, но расчёты экономики теплоснабжения я в теме собираюсь затронуть, так что Вы мне в личку свои параметры напишите: размеры дома, примерные теплопотери, режим проживания (это очень важно!), ну и цены газа и электричества и их подключения. В этом случае я постараюсь именно Ваши цифры использовать в примерах.

 

Отличную тему Вы ведете ! Собираюсь строить теплоэффективный дом Может для сравнения и мне Вам в личку написать ?

 

Хорошая задумка, полезная вещь для начинающих и не только, застройщиков. Искренне желаю успеха Вашему проекту!

Пара заметок:

Я несколько против считать человека "черным телом". И на основе этого определять комфорт. И с температурой поверхности кожи тоже весьма упрощенно.

Например, для поверхности кожи стопы человека нормальная температура считается 19-22 град. Центр стопы 27-28 град. Потому важна "послойность" температуры в доме. И пол перегревать нельзя. Фактически через стопы в организме человека происходит отвод излишней тепловой энергии в сторону пола. Если этого не будет происходить то пользы здоровью человека это не принесет. Если мне не изменяет память, минимальная температура ограждающих конструкций не должна быть ниже 18 град. Для стоп температура 18 град уже воспринимается как - "прохладно".

Да и нужная человеку температура помещения сильно зависит от периодов его активности. Хорошо засыпать в тепле, но просыпаться в прохладе, получая ощущение бодрости и заряда энергии на активность днём.

Может не так уж неправы англичане исторически засыпающие с грелкой в теплой спальной рубашке и колпаке и минимально отапливающие свои жилища? Одно время отапливать спальни у них считалось аморальным. Потому, неплохо бы помнить что полезно чтобы в спальнях ко времени сна температура была ниже, чем в остальных помещениях и на солнечной стороне их располагать не стоит.

Да и к понятию "комфорта" следует относиться очень осторожно, IMHO. Комфорт вреден здоровью. Он ослабляет имунную систему. К нему можно стремиться, но вряд ли стоит достигать.

P. S. надеюсь, мои NB не очень помешали Вашей теме.

 

Lt654, полностью согласен с Вашими замечаниями, но учёт распределения температуры по поверхности кожи, учёт влияния распределения интенсивности излучения по длинам волн и т. п. сильно усложнили бы расчёты, а на итоговый вывод не влияют. Моя цель не вывести математическое доказательство того, что люди обязаны наслаждаться температурой +23С, а объяснить простейшие физические закономерности читателям, не имеющим специального образования, но желающим на пальцах понять что делать, куда смотреть и на что обращать внимание. Думаю, что "сферический негр" вполне для этого подходит . А кому захочется разобраться поглубже - почитает учебники физики и справочники по физиологии, как это делаю я, освежая подзабытые знания.
Что же касается суточных колебаний температур в доме, температуры внутренних поверхностей (пола, стен), то я планирую подробно на этом остановиться после того как закончим с теплопотерями, но перед тем, как обсуждать способы возмещения этих теплопотерь, то бишь отопление. Чтобы вооружившись знаниями о суточных колебаниях температур, их взаимосвязи с теплоёмкостью и теплосопротивлением дома, физиологическими циклами человека и ценой, читатели могли делать обоснованный выбор между вариантами застройки и системами отопления.

 

В свою очередь, я согласен с Вашими возражениями и испытывал сомнения стоит ли писать свой комментарий, понимая направленность Вашей темы? Особенно учитывая, что я в какой-то степени, Ваш коллега, тоже из "физиков", только из других, не инженеров, а тех, которые считать не любят, да и не умеют, назначение калькулятора понимают не вполне адекватно, большую часть формул не помнят, "а зачем, если при необходимости их можно вывести? Решение же есть!" А кроме того, я много лет бок о бок работаю с медициной.

Я тоже строю свой дом своими руками, скорее уже построил, поскольку занимаюсь внутренними работами и инженерными системами. И разумеется, одержим своими идеями и философскими концепциями.

Это в том смысле, что я понимаю ход Ваших мыслей, что Вы хотите сделать, но будет полезно, что бы и Вы понимали, какой помощи можно ждать. Кроме этого, так случилось, что я как бы уже старожил этого форума и администрация просит таких помогать новичкам, к которым Вы, коллега, в этом смысле и относитесь, простите.

Из моего оптыта, проблема с подобными темами в том, что с одной стороны, автор и собственно читатели, хотели бы, что информация была полезной и концентрированной по важной для них теме. С другой, а как обсуждать ошибки, помочь автору, чтобы публикуемое было наиболее полезной направленности, но при этом не утонуло в сторонних рассуждениях, спорах?

Можно конечно, писать такие поправки личными письмами, а автор уже сам вносит коррективы, но и это не всегда удобно. Хотя, считаю, возможно, для данного случая, это было бы более удобно.

Но решить как Вам лучше, Вы должны сами, IMHO, как автор темы и дать свои предложения.

В моём понимании, в строительстве своего дома наиболее важна философская основа - для чего этот дом строится, что от него ожидается? А также как организовать его строительство исходя из своих ресурсов и возможностей? Результаты ошибок в этой области бывают гораздо более плачевны и затратны, чем неправильно расчитанные системы вентиляции, теплопотери ограждений и прочности строительных конструкций.

Именно в этом смысле хотелось бы сразу предостеречь читателей Вашей темы, которые только приступают к идее построить свой дом и уже схватились за калькуляторы, готовые перекраивать бюджет своей семьи на долгие годы.

Простые расчеты строительных конструкций всегда увлекательны, но они не умеют считать главного, IMHO, в жизни человека - радости и счастья. Дом строится не сколько для того, что бы он был большим и прочным, с минимальными теплопотерями, сколько для того, что бы мы, люди, жили в нем радостно и счастливо со своими любимыми и близкими.

Свои мысли по это проблематике я изложил в теме: "Философия нашего дома" Возможна она будет интересна читателям Вашей темы в качестве пролога или введения.

Ну а Вам, коллега, пожелаю, что бы эта тема стала очередным бриллиантом в короне этого Форума. Ведь именно строительство своего Дома, это то, что способно объединить всех людей планеты в дружбе и радости, независимо от политики и экономики их стран и правительств.

Надеюсь, специалисты строители с интересом, доброжелательно и с любовью отнесутся к новичкам и помогут Вам в развитии темы.

P. S. Ну и в порядке меркантильных интересов. Надеюсь, Вы не откажете коллеге в любезности при необходимости "поверить инженерией" совершенные мной ошибки при строительстве.

С удовольствием буду читателем Вашей темы. Еще раз желаю успехов.

P. P. S. Позволю себе несколько рекомендаций по оформлению: формулы будут лучше смотреться и пониматься, если они будут в отдельной строке, окруженной пробельными строками. Необязательно выделять их болдом. Поберегите его для тех мест где действительно нужно привлечь внимание читателя и выделить действительно важное!

Абзацы лучше отделять пустыми (пробельными) строками и делать их покороче, из нескольких предложений. При чтении в интернете современные люди читают по диагонали и смысл монолитного текста ускользает, если он длинноват. Видел много прекрасных материалов по содежанию, но которые практически невозможно читать из-за их оформления монолитом, брызжущего многоцветия и непонятно где и зачем сделанных выделений текста.

Подзаголовки тем тоже лучше отделять от текста пустой строкой. Будет смотреться гораздо лучше.

Ну и разумеется, коль Вы взялись за столь ответственный вариант темы, то из моего опыта лучше готовить материал отдельно в текстовом редакторе, затем выверив ошибки, публиковать кусками удобными по размеру. "Писатель" пишет для "читателей" и их удобства. И пишет он один раз, а спотыкаться об ошибки в его тексте будут тысячи. Это тоже одно из правил форума, искренне мной разделяемое, хотя и в какой-то иной формулировке.

 

Lt654, спасибо, постараюсь учесть. Последующие стилистические замечания пишите в личку, дабы не загромождать...

А мы продолжим и посмотрим на

Способы экономии теплопотерь при неизменных внешних и внутренних условиях

Итак, напомню - мы оценили потери тепловой энергии дома при температуре снаружи -20С и внутри +20С. Дом наш оказался утеплён хоть и не мега-супер, но и не плохо - потери тепла с 1м2 составляют около 67Вт. Разбивка теплопотерь по направлениям показывает, что через ограждающие конструкции теряется примерно 2/3 энергии, а треть уходит с вентиляцией и канализацией.

Канализация
Как я уже обмолвился выше, мне неизвестен ни один приемлемый в частном строительстве способ снизить затраты энергии на водоснабжение не снижая комфортности жильцов. Единственное, что я могу посоветовать - пожертвовать комфортом и отказаться от горячей воды ;-) Но помните, что даже полностью расставшись с горячей водой, Вы не расстанетесь с теплопотерями через канализацию. Полностью отказавшись от душа и сведя гигиенические процедуры к минимуму, используя только холодную воду комнатной температуры Вы всё равно вынуждены будете тратить энергию на нагрев воды с +5С до +20. В результате наэкономите максимум 1КВт.

Внутренний голос подсказывает мне, что это не наш путь, поэтому с потерями тепла через канализацию пока смиримся и поищем резервы экономии по другим направлениям и подождём - может быть кто-то из читателей поделится с нами информацией о технологиях энергосбережения канализационных стоков.

Вентиляция
Что касается экономии на вентиляции, то тут уже есть варианты. Первое, что приходит в голову - рекуператоры, т. е. устройства, которые нагревают поступающий с улицы свежий, но холодный воздух за счёт выбрасываемого отработанного, но тёплого воздуха. Как мы уже рассчитали выше, при рекомендованных нормах воздухообмена жилых помещений, в частном строительстве экономия энергии при использовании рекуператоров мы сможем сберечь 0.7КВт энергии, ни капли не пожертвовав комфортом. 0.7КВт - это экономия более 10% от общих теплопотерь, а в случае использования для отопления электричества по тарифам московской области (2.81руб/КВт*ч) - это экономия 47руб в день или 1400 руб в месяц (не забываем про -20С за бортом).

Цены на рекуператоры нужной нам производительности начинаются от 20 тыс. руб. и могут быть вполне рациональной и окупаемой инвестицией. Надо лишь до покупки этого прибора убедиться, что стоимость его установки не в разы превышает цену агрегата, а также, что к нему не требуются дорогие и дефицитные расходные материалы. Дело в том, что для борьбы с конденсатом в рекуператорах применяют различные конструктивные подходы в результате Вы можете получить, например дорогую цену установки с отводом конденсата в канализацию и пересушиванием помещения или рекуператор с влагопроницаемым теплообменником, который не сушит воздух, но такие теплообменники боятся пыли, жира и прочих бытовых загрязнителей воздуха и требуют расходуемых фильтров (как часто их надо менять не знаю), да и сами по себе прослужат всяко меньше теплообменников из алюминия. Короче, подводных камней много, но теперь Вы о них знаете и сможете обойти.

Ограждающие конструкции
Ну и наконец, что же можно сделать для уменьшения потерь тепла через ограждающие конструкции? Физика говорит, что вариантов всего 3
1) Увеличить теплосопротивление ограждающих конструкций (утеплиться)
2) Уменьшить площадь ограждающих конструкций (сделать дом компактней)
3) Уменьшить разницу наружной и внутренней температур

1) Утепление
С утеплением всё просто - чем толще стены, пол и потолок и чем более "тёплые" материалы в них используются - тем меньше будут потери энергии. "Теплоту" материалов можно определить потрогав их рукой при комнатной температуре (железо - холодное, бетон - холодный, но теплее, кирпич еще теплее, дерево совсем тёплое, а стекловата еще теплее), а можно посмотреть в справочниках. С утеплением важно не переусердствовать - надо понимать, что утеплив стены дома в 2 раза лучше (читай в 2 раза дороже) мы на 50% сократим энергопотери через стены (а не все потери!). То есть в нашем случае общее снижение теплопотерь составит менее 5% (пяти!)

Например, утеплив стены нашего дома вдвое мы уменьшим потери тепла на 312Вт, или в сутки на 7.5КВт*ч или в рублях по московским тарифам на электричество - 21руб в сутки или 630 руб/месяц. При этом капитальные затраты на утепление минватой, например, составят не менее 150 тыс руб (нам нужно будет 25см ваты на 100 м2 => 26м3 по ~6000 руб/м3, да еще клей, крепёж, работа и т. д.) Для средней полосы России такое утепление окупится не ранее, чем через 60 лет. С учётом того, что расчётный срок службы минваты составляет 50 лет выводы делайте сами.

В общем вкладе в теплопотери очень существенная доля приходится на окна. Для нашего расчёта мы брали пластиковые окна с весьма неплохими двухкамерными стеклопакетами и широким профилем и всё равно получили через них более трети всех теплопотерь! Ох не зря в избах окошки делали такими маленькими. Понятно, что в нашем климате особенно зимой хочется как можно больше света, но надо отдавать себе отчёт, что ночью даже самое большое окно не обеспечит вас светом, а платить за расходуемое тепло Вы будете и днём и ночью.
С окнами, правда есть одно НО. Если окна на южной стороне, то помимо теплопотерь они могут обеспечивать и нагрев помещений. Этот нагрев может быть весьма значительным - мы его посчитаем когда от расчёта теплопотерь перейдём к расчёту отопления.

2) Компактность
С площадью ограждения тоже всё просто - при одной и той же полезной площади в зависимости от геометрии дома получается разная площадь ограждающих конструкций. А чем меньше эта площадь, тем меньше теплопотери (а также капитальные затраты!). Наука геометрия нам подсказывает, что оптимальная форма дома это цилиндр. (Многие почему то считают, что это шар, но шар оптимален с точки зрения внутреннего объёма, а нам не нужен объём - нам нужна площадь этажей) Короче, юрта рулит!

Но с домами в форме цилиндра есть проблемы - во-первых культурные, во-вторых технологические, в-третьих планировочные. Поэтому ограничимся классическими вариантами с прямыми, перпендикулярными друг другу стенами. Тогда побеждает куб. Т. е. чем ближе форма дома к кубической, тем она экономичней. Посчитаем экономический эффект на примере нашего домика 10х10х3м. Сделаем его более кубическим за счёт 2-х этажности. Т. е. вместо одного этажа площадью 100м2 сделаем 2 этажа по 50м2 - получим домик 7.4х7.4х6.3м (с учётом потери площади под лестницу и толщину перекрытия).

Площадь его ограждения составляет 7.4*4*6.3+7.4*7.4*2=296м2, по сравнению с 10*4*3+100*2=320м2 у одноэтажного варианта. Т. е. энергопотери одноэтажного дома на 8% больше, чем у двухэтажного. А вот Если бы мы предпочли 1-этажный Г-образный дом той же площади, то потеряли бы около 4% энергоэффективности. Не то чтобы в разы, но разница заметная.

Обратите внимание, что энергоэффективный дом должен быть не просто квадратным в плане, но и в зависимости от общей площади должен менять этажность. Если общая площадь дома планируется 50м2, то одноэтажный дом 7.1х7.1х3м будет иметь площадь ограждений 186м2, а двухэтажный (с учетом лестницы и перекрытий) будет иметь размеры 5.5х5.5х6.3ми площадь ограждений - 199м2, а значит строить 2-х этажный дом бессмысленно. Ну а если общая площадь дома 300м2, то разница в площади ограждений уже 808м2 (1 этаж) против 627м2 (2 этажа) или 29% в пользу 2-х этажей.

Да, чуть не забыл - геометрически очень хорошая экономия получается от снижения высоты потолков. Снизив высоту потолков нашего 100-м2 домика с 3-х метров до 2.5 мы получим снижение площади ограждений в одноэтажном варианте на 6%, а в 2-х этажном - более, чем на 10%. А кроме того, снизив высоту потолков мы можем уменьшить среднюю температуру воздуха в доме, не потеряв комфорта. И тут мы как раз подошли к третьему, самому парадоксальному варианту снижения теплопотерь.

3) Уменьшение температуры
На первый взгляд, снизить разницу температур при фиксированной наружной (-20С) можно только за счёт потери комфортности. То есть, если мы считаем, что для нас комфортной является температура в +25С, то любое ее понижение снизит комфортность и за экономию энергии мы будем расплачиваться тем, что будем мёрзнуть. Однако те, кто читал тему с самого начала уже знает, что тепловой комфорт не определяется только лишь температурой, а определяется балансом энергии получаемой и отдаваемой человеком.

Когда человек находится в закрытом помещении, то его комфорт и вовсе определяется не температурой воздуха, а температурой стен! Температура воздуха вторична - она сама определяется температурой стен. Попробуйте зимой открыть настежь окна в своей квартире (только без сквозняка, чтобы не было ветра и тепло от вашего тела не уносилась конвекцией воздуха) - Вы заметите, что во-первых, не смотря на низкую забортную температуру, Вам не так уж и холодно, а во-вторых - как только окно будет закрыто нахождение в комнате станет полностью комфортным (и даже более приятным, поскольку воздух стал более "свежим").

Дело в том, что открыв окно Вы не перестали получать энергию, излучаемую тёплыми стенами, а объёмная теплоёмкость воздуха настолько мала, что при закрытии окна весь холодный воздух в комнате очень быстро нагревается практически не понижая при этом температуру стен - сделанные из бетона или кирпича они имеют объёмную теплоёмкость более, чем в 1000 раз превосходящую воздух.

Температуру воздуха в помещении мы принимаем как критерий комфорта, только лишь потому, что ее удобно измерять - низкая теплоёмкость обеспечивает низкую инерционность его температуры, а летучесть обеспечивает его постоянное движение и перемешивание и измерив температуру воздуха в одной точке комнаты мы можем понять как это скажется на нашем комфорте по всему объёму. Измерить же среднюю температуру ограждающих конструкций гораздо сложнее - на поверхности окна температура одна, на дальнем от окна углу потолка - другая, на полу в середине комнаты - третья, а на батарее - четвёртая.

Короче, для комфорта человека важна внутренняя температура стен, а для теплопотерь - температура воздуха. Это раз. Кроме того, распределение температуры воздуха в помещении не равномерно - тёплый воздух всегда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это два. Комфортная температура для человека зависит от того насколько он физически активен и как он одет. Это три. И, наконец, если человека в помещении нет, то любая температура будет комфортной. Это четыре.

Так вот, учитывая эти факторы следует создавать систему отопления Вашего дома таким образом, чтобы обеспечить комфортность при минимальной температуре воздуха в помещениях.

• Не отапливать тамбуры, прихожие, котельные - в них Вы проводите мало времени, да еще и большую часть этого времени в верхней одежде.
• Нагревать непосредственно внутренние поверхности конструкций, а не воздух - пока Вы не нагреете стены никакая температура воздуха не обеспечит комфорта. Для нагрева стен через воздух необходимо поддерживать температуру воздуха выше температуры стен и выше комфортной
• Подводить тепло снизу (вверх оно само поднимется) - подавая тёплый воздух через систему вентиляции Вы не обеспечите комфорта - голове будет жарко, ноги будут мёрзнуть, да еще и противный горячий и сухой воздух будет дуть Вам в голову.
• Не делать высокие потолки и тем более "второй свет" - тепло поднимется под потолок и имея комфортные +21С на уровне пола Вы получите под потолком +25 (при отоплении радиаторами температура растёт чуть более градуса на каждый метр высоты), а при втором свете вы получите под потолком уже +30. Это и не комфортно - или нормально на первом этаже, но жарко на втором, или нормально на втором, но холодно на первом и не экономно - при температуре на уровне дивана +22С средняя температура помещения будет 25,5С.
• Поддерживать разную температуру в разных помещениях - более тёплую в гостиной, столовой, на кухне чуть прохладней, в спальнях еще прохладней, а в спортзале и вовсе должно быть холодно, пока стоишь без движения.
• Не ходить по дому в майке! Это не эстетично и не полезно! Оденьте шерстяной свитерок с оленями и наслаждайтесь тёплым чаем/кофе/глинтвейном со столь же нарядно одетой женой/мужем при температуре +18С - это гораздо лучше, чем сидя в майке потеть от чашки чая при температуре +25С. А еще лучше потанцуйте - согреетесь после первого же танца

Следуя этим советам можно снизить среднюю температуру воздуха в помещениях градусов на 5 (с 23С до 18С) по сравнению с равномерным отоплением всей площади привычными радиаторами. А это экономия более 10% затрат на отопление (с учётом вентиляции и более половины канализации).

Итак, мы закончили с расчётами теплопотерь при неизменных внешних (-20С) и внутренних (+20С) условиях, однако в реальности такого не бывает - и внешние и внутренние условия подвержены циклическим колебаниям - суточным, недельным и сезонным. А эти колебаний выставляют свои требования к конструктиву дома и к его системе отопления. Насколько эти циклы важны для комфорта при различных сценариях использования дома и как они влияют на экономику обсудим в следующей части.

 

Нужная тема. В общем согласен, но обращу внимание на ошибки и неточности. Например: написано 1ккал = 4.2МДж (правильно 1ккал = 4.2кДж)- соотв. дальнейшие рассчеты не правильны.

 

Кинулась в глаза мощность выделяемая человеком 100кВт.

 

Да, конечно - рука дрогнула :-(Человек он как лампочка по мощности, а не как автомобиль. Спасибо! В принципе эта ошибка ни на что принципиально не повлияла, но неприятно. Старожилы, модераторы подскажите как можно такие косяки подправить?

 

Эти расходы верны только для городской квартиры, IMHO. Для личного пользования в сельском доме такое количество воды не используется. Селянину нет нужны в ванной, у него есть баня. Она много круче и полезней для здоровья. Потому его расход воды в жилом доме, это утренний туалет, приготовление пищи, вечерний душ. Это всё. Расход воды на основное мытье, стирку выполняется в бане и исключено из баланса жилого дома.

Соответсвенно, потери тепловой энергии по этой статье сильно меньше.
Их можно уменьшить еще больше, если использовать не ватерклозет, а пудрклозет, современного типа компостирующий биотуалет.

Рекуперация подогрева поступающей в дом холодной воды также не представляет особых сложностей, IMHO. Для этого в доме достаточно иметь накопительный бак для воды расположенный на утепленном чердаке. Весь теплый воздух поднимающийся вверх, подогретый дыханием человека, поднимаясь к чердаку будет подогревать накопленную воду. Все что нужно сделать, это позаботиться о том, чтобы воздухообмен в этом естественном рекуператоре был оптимальным для подогрева воды и не покидал чердак слишком быстро.

Неплохо бы подсчитать эти потери. Попросим автора прояснить этот вопрос.

Дополнение:

Условно исходят из нормы 3 m3 воздуха в час на квадратный метр площади жилого помещения помещения стандартной высоты. (СНиП 2.08.01-89*) Для кухни этот коэффициент должен быть 6-8, туалет 8-10. Т. о. Для жилой комнаты 10м2 воздухообмен должен составлять 3*10=30м3 в час. Для туалета площадью 4м2*10=40м3 в час. Больше чем в жилой комнате! То же касается кухонь, воздухообмен которых зависит от типа применяемой плиты, газовая или электрическая. Они по разному расходуют воздух.

IMHO, для бытовых условий полезность рекуператора сильно преувеличена. Проблема не только в сложности их конструкции, дороговизне, расходе энергии для перемещения масс рекуперируемого воздуха, повышенном шуме. А еще и в том, что они искажают скорость поступления свежего воздуха в жилище. Для справки, оптимальной для человека является скорость движения воздуха 0.1 - 0.15 м/сек в холодное время. Причем, 0.2 м/сек является предельно допустимой скоростью перемещения воздуха согласно ГОСТ 30494-96 для жилых помещений.

Повод задуматься, почему производители пластиковых окон предлагают единственный метод проветривания - залповый. И как это влияет на ваше здоровье.

К недостаткам рекуператоров и кондиционеров следует отнести неравномерное перемешивание воздуха. Воздух в них идет по трубам ограниченного сечения, а в идеале в жилище человека он должен поступать с максимально большой площади ограждающих конструкций стен и пола, инфильтрацией, для равномерного перемешивания за счёт естественной конвекции. В этом смысле, IMHO, хорошим решением являются деревянные стены жилища, деревянный пол+черновой + теплоизоляция с воздушной подпольной подушкой в 250мм и продухами вентиляции подпольного пространства.

Борьбу за теплосбережение не стоит превращать в манию. Чистый воздух для человека гораздо важнее, чем комфортная температура в помещении.

Рекуператоры, как и ситемы кондиционирования воздуха эффективны там где большое количество людей. Кинотеатры, рестораны, и пр.

Есть и еще одно отличие в эффективности энергосбережения загородного дома и сельского. Сельский дом может быть гораздо меньше по размеру. Поскольку жизненного пространства вокруг этого дома гораздо больше. И все не нужное непосредственно для жилья человека в холодное время можно хранить снаружи. В пристройках, сараях, подполах, подвалах, погребах, банях и прочих вспомогательных помещениях. Если же загородный дом устроен по принципу городской квартиры, то придется тратить энергию на обогрев всего барахла которого мы в нем накопили, независимо от того нужно оно нам для жизни в данный момент или нет.

Все эти аспекты нужно также учитывать при проектировании дома и снижении его тепловых потерь.