Математика теплопотерь загородного дома.
Сегодня многие семьи выбирают для себя загородный дом как место постоянного проживания или круглогодичного отдыха. Однако его содержание, и в особенности оплата коммунальных услуг, довольно затратны, при этом большинство домовладельцев вовсе не олигархи. Одна из наиболее значительных статей расхода для любого домовладельца это расходы на отопление. Чтобы минимизировать их, необходимо ещё на стадии строительства коттеджа задуматься об энергосбережении. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
О проблемах энергетической эффективности жилья обычно вспоминают в ракурсе городского ЖКХ, однако владельцам индивидуальных домов эта тема подчас гораздо ближе, считает Сергей Якубов . заместитель директора по продажам и маркетингу Группы компаний Металл Профиль . ведущего производителя кровельных и фасадных систем в России. Расходы на отопление дома могут составлять гораздо больше половины стоимости его содержания в холодное время года и достигают порой десятков тысяч рублей. Однако при грамотном подходе к теплоизоляции жилого дома эту сумму можно существенно сократить.
Собственно, отапливать дом нужно для того, чтобы постоянно поддерживать в нём комфортную температуру, независимо от того, что творится на улице. При этом нужно учитывать теплопотери как через ограждающие конструкции, так и через вентиляцию, т.к. тепло уходит вместе с нагретым воздухом, взамен которого поступает охлаждённый, а также тот факт, что некоторое количество тепла выделяют люди, находящиеся в доме, бытовая техника, лампы накаливания и т.п.
Схематично тепловой баланс дома можно представить в виде таблицы, где теплопотери скомпенсированы обогревом помещений различными источниками тепла.
— Через стены; — Через кровлю; — Через пол; — Через двери и окна; — Через вентиляцию.
— Система отопления; — Тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома.
Чтобы понять, сколько тепла мы должны получить от своей системы отопления и сколько денег на это придётся потратить, попробуем оценить вклад каждого из прочих факторов в тепловой баланс на примере расположенного в Московской области кирпичного двухэтажного дома с общей площадью помещений 150 м2 (для упрощения вычислений мы считали, что размеры коттеджа в плане примерно 8,7х8,7 м и он имеет 2 этажа высотой по 2,5 м.
Теплопотери через ограждающие конструкции (кровлю, стены, пол.
Интенсивность теплопотерь определяется двумя факторами: разницей температур внутри и снаружи дома и сопротивлением его ограждающих конструкций теплопередаче. Разделив разницу температур t на коэффициент сопротивления теплопередаче Ro стен, кровли, пола, окон и дверей и умножив на площадь S их поверхности, можно вычислить интенсивность теплопотерь Q.
Разница температур t величина непостоянная, она меняется от сезона к сезону, в течение дня, в зависимости от погоды и т.д. Однако нашу задачу упрощает то обстоятельство, что нам необходимо оценить потребность в тепле суммарно за год. Поэтому для приближённого расчёта мы вполне можем использовать такой показатель, как среднегодовая температура воздуха для выбранной местности. Для Московской области это +5,8 C. Если принять за комфортную температуру в доме +23 C, то наша усреднённая разница составит.
t = 23 C 5,8 C = 17,2 C.
Стены. Площадь стен нашего дома (2 квадратных этажа 8,7х8,7 м высотой 2,5 м) будет примерно равна.
S = 8,7 * 8,7 * 2,5 * 2 = 175 м 2.
Однако из этого нужно вычесть площадь окон и дверей, для которых мы рассчитаем теплопотери отдельно. Предположим, что входная дверь у нас одна, стандартного размера 900х2000 мм, т.е. площадью.
S двери = 0,9 * 2 = 1,8 м 2.
а окон 16 штук (по 2 на каждой стороне дома на обоих этажах) размером 1500х1500 мм, суммарная площадь которых составит.
S окон = 1,5 * 1,5 * 16 = 36 м 2.
Итого 37,8 м 2. Оставшаяся площадь кирпичных стен.
S стен = 175 37,8 = 137,2 м 2.
Коэффициент сопротивления теплопередаче стены в 2 кирпича равен 0,405 м2 C/Вт. Для простоты пренебрежём сопротивлением теплопередаче слоя штукатурки, покрывающей стены дома изнутри. Таким образом, тепловыделение всех стен дома составит.
Q стен = (17,2 C / 0,405м 2 C/Вт) * 137,2 м 2 = 5,83 кВт.
Кровля. Для простоты расчётов будем считать, что сопротивление теплопередаче кровельного пирога равно сопротивлению теплопередаче слоя утеплителя. Для лёгкой минераловатной теплоизоляции толщиной 50-100 мм, чаще всего применяемой для утепления кровель, оно примерно равно 1,7 м 2 C/Вт. Сопротивлением теплопередаче чердачного перекрытия пренебрежём: допустим, что в доме есть мансарда, которая сообщается с другими помещениями и между всеми ними тепло распределяется равномерно.
Площадь двускатной кровли при уклоне в 30 составит.
S кровли = 2 * 8,7 * 8,7 / Cos30 = 87 м 2.
Таким образом, её тепловыделение составит.
Q кровли = (17,2 C / 1,7м 2 C/Вт) * 87 м 2 = 0,88 кВт.
Пол. Сопротивление теплопередаче деревянного пола примерно 1,85 м2 C/Вт. Произведя аналогичные расчёты, получим тепловыделение.
Q пола = (17,2 C / 1,85м 2 C/Вт) * 75 2 = 0,7 кВт.
Двери и окна. Их сопротивление теплопередаче приблизительно равно соответственно 0,21 м 2 C/Вт (двойная деревянная дверь) и 0,5 м 2 C/Вт (обычный двухкамерный стеклопакет, без дополнительных энергоэффективных примочек ). В итоге получим тепловыделение.
Q двери = (17,2 C / 0,21Вт/м 2 C) * 1,8м 2 = 0,15 кВт.
Q окна = (17,2 C / 0,5м 2 C/Вт) * 36м 2 = 1,25 кВт.
Вентиляция. По строительным нормам коэффициент воздухообмена для жилого помещения должен быть не менее 0,5, а лучше 1, т.е. за час воздух в помещении должен обновляться полностью. Таким образом, при высоте потолков 2,5 м это примерно 2,5 м 3 воздуха в час на квадратный метр площади. Этот воздух необходимо нагреть от уличной температуры (+5,8 C) до температуры помещения (+23 C.
Удельная теплоёмкость воздуха это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества на 1 C равна примерно 1,01 кДж/кг C. При этом плотность воздуха в интересующем нас диапазоне температур составляет примерно 1,25 кг/м 3. т.е. масса 1 его кубометра равна 1,25 кг. Таким образом, для нагрева воздуха на 23-5,8=17,2 C на каждый квадратный метр площади потребуется.
1,01 кДж/кг C * 1,25 кг/м 3 * 2,5 м 3 /час * 17,2 C = 54,3 кДж/час.
Для дома площадью 150 м2 это будет.
54,3 * 150 = 8145 кДж/час = 2,26 кВт.
Предположим, что в доме живёт семья из двоих взрослых с двумя детьми. Норма питания взрослого человека 2600 3000 калорий в сутки, что эквивалентно мощности тепловыделения в 126 Вт. Тепловыделение ребёнка будем оценивать в половину тепловыделения взрослого. Если все обитали дома находятся в нём 2/3 всего времени, то получим.
(2*126 + 2*126/2)*2/3 = 252 Вт.
Допустим, что в доме 5 комнат, освещённых обыкновенными лампами накаливания мощностью 60 Вт (не энергосберегающими), по 3 на комнату, которые включены в среднем по 6 часов в сутки (т.е. 1/4 всего времени). Примерно 85% потребляемой лампой мощности превращается в тепло. Итого получим.
5*60*3*0,85*1/4 = 191 Вт.
Холодильник очень эффективный нагревательный прибор. Его тепловыделение 30% от максимальной потребляемой мощности, т.е. 750 Вт.
Другая бытовая техника (пусть это будут стиральная и посудомоечная машины) выделяет в виде тепла около 30% максимальной потребляемой мощности. Средняя мощность указанных приборов 2,5 Квт, работают они примерно по 2 часа в сутки. Итого получим 125 Вт.
Стандартная электроплита с духовкой имеет мощность примерно в 11 кВт, однако встроенный ограничитель регулирует работу нагревательных элементов таким образом, чтобы их одновременное потребление не превышало 6 кВт. Впрочем, вряд ли мы когда-то используем больше, чем половину конфорок одновременно или сразу все тэны духовки. Поэтому будем исходить из того, что средняя рабочая мощность плиты примерно 3 кВт. Если она работает часа 3 в день, то получим тепла 375 Вт.
Каждый компьютер (а их в доме 2) выделяет примерно 300 Вт тепла и работает 4 часа в сутки. Итого 100 Вт.
Телевизор это 200 Вт и 6 часов в сутки, т.е. на круг 50 Вт.
Теперь подобьём баланс.
— Система отопления требуется вычислить — Тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома 1,84 кВт.
Теперь вычислим требуемую тепловую мощность системы отопления.
Q отопления = 11,06 1,84 = 9,22 кВт.
Расходы на отопление.
Собственно, выше мы вычислили мощность, которая будет необходима для нагрева теплоносителя. А греть его мы будем, естественно, с помощью котла. Таким образом, расходы на отопление это расходы на топливо для этого котла. Поскольку мы рассматриваем самый общий случай, то сделаем расчёт для наиболее универсального жидкого (дизельного) топлива, т.к. газовые магистрали есть далеко не везде (а стоимость их подведения это цифра с 6 нулями), а твёрдое топливо нужно, во-первых, как-то привозить, а во-вторых каждые 2-3 часа подбрасывать в топку котла.
Чтобы узнать, какой объём V дизтоплива в час нам придётся жечь для обогрева дома, нужно удельную теплоту его сгорания q (количество тепла, выделяемое при сжигании единицы массы или объёма топлива, для дизтоплива примерно 13,95 кВт*ч/л) умножить на КПД котла (примерно 0,93 у дизельных) и затем требуемую мощность системы отопления Qотопления (9,22 кВт) поделить на полученную цифру.
V = Q отопления /(q* ) = 9,22 кВт / (13,95 кВт*ч/л) * 0,93) = 0,71 л/ч.
При средней для Московской области стоимости дизтоплива 30 руб./л в год на отопление дома у нас уйдёт.
0,71 * 30руб. * 24часа * 365дней = 187 тыс. руб. (округленно.
Естественное желание любого домовладельца снизить затраты на отопление ещё на стадии строительства. Куда же имеет смысл вкладывать деньги.
В первую очередь следует подумать об утеплении фасада, на долю которого, как мы убедились ранее, приходится основной объём всех теплопотерь дома. В общем случае для этого может использоваться внешнее или внутреннее дополнительное утепление. Однако внутреннее утепление гораздо менее эффективно: при монтаже теплоизоляции изнутри граница раздела тёплой и холодной областей перемещается внутрь дома, т.е. в толще стен будет конденсироваться влага.
Существует два способа утепления фасадов: мокрый (штукатурка) и путём установки навесного вентилируемого фасада. Практика показывает, что из-за необходимости постоянного ремонта мокрое утепление с учётом эксплуатационных расходов оказывается в итоге почти вдвое дороже вентилируемого фасада. Основным недостатком штукатурного фасада является высокая стоимость его обслуживания и содержания. Первоначальные затраты на обустройство такого фасада ниже, чем для навесного вентилируемого, всего на 20-25%, максимум на 30%, объясняет Сергей Якубов ( Металл Профиль ). Однако с учётом расходов на текущий ремонт, который нужно делать не реже чем раз в 5 лет, уже по истечении первой пятилетки штукатурный фасад сравняется по стоимости с вентилируемым, а за 50 лет (срок службы вентфасада) окажется дороже его в 4-5 раз.
Что же представляет собой навесной вентилируемый фасад? Это наружный экран , закреплённый на лёгком металлическом каркасе, который крепится к стене специальными кронштейнами. Между стеной дома и экраном размещается лёгкий утеплитель (например, Isover ВентФасад Низ толщиной от 50 до 200 мм), а также ветрогидрозащитная мембрана (например, Tyvek Housewrap). В качестве наружной облицовки могут использоваться различные материалы, но в индивидуальном строительстве чаще всего применяется стальной сайдинг. Использование при производстве сайдинга современных высокотехнологичных материалов, таких как сталь с покрытием Colorcoat Prisma , позволяет подобрать практически любое дизайнерское решение, говорит Сергей Якубов. Этот материал обладает превосходной устойчивостью как к коррозии, так и к механическим воздействиям. Срок гарантии на него составляет 20 лет при реальном сроке эксплуатации в 50 лет и более. Т.е. при условии использования стального сайдинга вся фасадная конструкция прослужит 50 лет без ремонта.
Дополнительный слой фасадного утеплителя из минваты имеет сопротивление теплопередаче примерно 1,7 м2 C/Вт (см. выше). В строительстве, чтобы вычислить сопротивление теплопередаче многослойной стены, складывают соответствующие значения для каждого из слоёв. Как мы помним, наша основная несущая стена в 2 кирпича имеет сопротивление теплопередаче 0,405 м2 C/Вт. Поэтому для стены с вентфасадом получим.
0,405 + 1,7 = 2,105 м 2 C/Вт.
Таким образом, после утепления тепловыделение наших стен составит.
Q фасад = (17,2 C / 2,105м 2 C/Вт) * 137,2 м 2 = 1,12 кВт.
что в 5,2 раза меньше аналогичного показателя для неутеплённого фасада. Впечатляет, не правда ли.
Посмотрим, как теперь будет выглядеть тепловой баланс нашего дома.
