Теплосопротивление материалов - практические расчеты

Теплосопротивление — (R-value) характеристика ограждающего слоя (стены, перекрытия и пр.), показывающая, насколько данный материал сопротивляется потерям тепла. Теплосопротивление R и теплопроводность k — обратные величины, большое теплосопротивление означает, что слой сопротивляется потерям тепла и у него маленькая теплопроводность. Однако теплосопротивление учитывает еще и толщину конструкции

R = d / k (град/Вт), где d — это толщина слоя (в метрах), а k — теплопроводность (Вт*м/град).

Теплосопротивление — очень удобная величина, т.к.

1. Легко посчитать, сколько тепла уходит через стены или перекрытия: Q = (площадь) * (разница температур) / R

2. При многослойных стенах величины R нужно просто сложить: Rобщ = R1+R2+R3…

По современным стандартам для каждого региона РФ определены минимальные значения R для стен и перекрытий жилого дома. Например, для Московской области это: R-стен=3,0 град/Вт, R-пер=3,9 град/Вт, R-окон=0,5 град/Вт (СНиП 23-01-99).

Как практически использовать теплосопротивление

Посмотрим, сколько реально тепла будет терять ваш дом при соблюдении стандартов. Возьмем небольшой уютный 2-этажный домик размером 8,12х9,25 метров (см.рисунок). Будем считать, что температура внутри дома везде равна +20 градусов, снаружи -30 градусов, т.е. разница температур равна 50 градусов.

Посчитаем вначале самый простой вариант, где стены и перекрытия соответствуют госту, а потом учтем некоторые «хитрости».

Без окон без дверей, но по ГОСТам

Сначала мы не будем учитывать окна, двери и вентиляцию и будем считать, что тепло уходит только через стандартные стены и перекрытия.

Площадь всех внешних стен равна периметру, умноженному на высоту: S=34,75 x 5,54=192,5 кв.м. Площадь нижнего и верхнего перекрытий 2 х 75 = 150 кв.м.  Теплосопротивление берем по госту: R-стен=3,0; R-перекр=3,9. Потери тепла Qоб=(192,5/3+150/3,9)х50=102,63х50=5131 Вт. При -30 градусах на улице мощность отопительных приборов должна превышать 5 кВт. При цене 4 руб/кВт*час за 1 день мы потратим 492 рубля, а за месяц — аж 15000 рублей!

Люди, которые никогда не топили большой дом в лютые морозы, ужаснутся от этих цифр, те же, кто жил в плохо утепленных домах зимой, посмотрят на эти расчеты с оптимизмом и потребуют доказательств.

Будем оптимистами

Прежде всего -30 градусов С — температура, которая бывает не каждый год. Средняя месячная температура в Московской области показана в таблице:

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
Дмитров	-10,4	-9,5	-4,4	4,3	11,5	15,7	17,5	15,7	10,3	4,0	-2,4	-7,2	3,8
Кашира	-10,9	-9,8	-4,6	4,6	12,2	16,3	17,8	16,5	11,0	4,1	-2,3	-7,0	4,0
Москва	-8,4	-7,8	-2,5	6,0	12,8	16,9	18,5	16,6	11,1	5,0	-1,6	-5,9	5,1

 

Сам город Москва теплее, чем область, поэтому лучше брать среднее между Дмитровым и Каширой. Усредняя и суммируя от мая по сентябрь, получаем за зиму:

месяц	средн. темп	разница с +20	Ср.мощность  кВт	кВт*час в месяц
сентябрь	10,6	9,4	0,96	695
октябрь	4,0	16,0	1,64	1222
ноябрь	-2,4	22,4	2,30	1655
декабрь	-7,1	27,1	2,78	2069
январь	-10,7	30,7	3,15	2344
февраль	-9,7	29,7	3,05	2048
март	-4,5	24,5	2,51	1871
апрель	4,4	15,6	1,60	1153
май	11,8	8,2	0,84	626
ВСЕГО				13683

За 8 месяцев отопительного сезона мы потратим 4*13683=54732 рублей, в пересчете на 12 месяцев — 4560 руб/мес.
Для тех, кто думает, что это много, можно сказать, что деревянный дом со стенами толщиной 20 см (R=1,54) и перекрытиями, утепленными минватой толщиной 15 см (R=2,50+0,35+0,19=3,04) потребует на 70% больше, т.е. 92976 рублей/год или 7750 руб/мес.

Плохая новость: окна пожирают тепло

По стандарту окна должны иметь теплосопротивление 0,5, т.е. они теряют тепло в 6 раз больше, чем стены (в расчете на 1 кв.м). В нашем домике 10 больших окон (1,25х1,4), 3 маленьких (0,6х1,0) и входная дверь, всего 21,3 кв.м. Потери при -30 градусах: Qокон=(21,3/0,5)х50=2130 Вт. Если быть точным, то мы должны уменьшить площадь стен, но все равно получится 1775 Вт, т.е. окна и входная дверь увеличивают теплопотери еще на 35%.

Производители современных окон стараются улучшать конструкции для уменьшения потерь тепла. Некоторые утверждают, что их окна имеют теплосопротивление R=0,7 или даже 1,0 хотя независимые испытания у нас в России проводят редко.

Плохая и хорошая новость: вентиляция

Человек в процессе своей деятельности выделяет очень много вредных веществ. Даже когда он спит, он дышит и выделяет углекислый газ и еще около 400 вредных веществ. Когда он готовит еду, использует воду или занимается спортом, он загрязняет окружающую среду еще больше. Основная задача — выкинуть все это подальше, прежде всего воздух, заменив его на чистый.

При правильной вентиляции в нашем домике, если в нем живут 3 человека, потребуется заменять около 100 куб.м воздуха в час. Многие скажут, что нужно гораздо больше, но тут я готов поспорить. Удаляемый воздух уходит вместе с теплом, а новый воздух надо подогревать, а это при -30 градусах Qвент=100х50/2,98=1678 Вт, т.е еще 33% дополнительной мощности.

Где же тут хорошая новость, скажете вы. Их целых две. Первую я уже упомянул, нормы и принципы расчета вентиляции, принятые в СНиПах, безнадежно устарели, по ним вам пришлось бы тратить в 3-5 раз больше энергии на вентиляцию. Вторая новость: современные системы вентиляции умеют возвращать часть тепла, которая уходит с удаляемым воздухом (это называется рекуперация) и уменьшать мощность для нагрева воздуха в 2-4 раза.

Еще одна хорошая новость: СИП-панели

СИП-панели теплее, чем это требуется по ГОСТам, поэтому дома из них не нужно дополнительно утеплять. Рассмотрим тот же самый домик 8,12х9,25 метров, но сделанный из СИП-панелей. Обычно стены делают из панелей с толщиной утеплителя 150, а перекрытия — 200 мм. Кроме утеплителя каждая панель содержит 2 слоя OSB-фанеры толщиной 12 мм, которые также дают свой вклад в теплосопротивление. Коэффициент теплопроводности для ППС-утеплителя равен 0,041 Вт*м/град, для OSB — 0,18 Вт*м/град, поэтому Rстен=0,15/0,041+2х0,012/0,18=3,79, Rпер=0,2/0,041+2х0,012/0,18=5,01. Позже мы еще учтем отделку, которая увеличивает R и внутренний деревянный каркас, который уменьшает R. Площадь стен мы сразу возьмем за вычетом окон и наружной двери, а сами окна возьмем более теплыми с коэффициентом R=0,7. В результате при -30 градусах за окном мы получим:

Qстен = 50х(192,5-21,3)/3,79 = 50х45,17 = 2259 Вт (32%)

Qпер  = 50х2х75/5,01 = 50х29,94 = 1497 Вт (22%)

Qокон = 50х21,3/0,7 = 50х30,43 = 1521 Вт (22%)

Qвент = 50х100/2,98 = 50х33,56 = 1678 Вт (24%)

Qоб    = 50х139,1 = 6955 Вт (100%)

Мы можем видеть, что разница температур везде идет первым множителем, т.е. если за окном теплее, то и энергии надо тратить меньше — пропорционально этой разнице. Теперь мы можем вместо таблицы для стандартного дома без окон и дверей написать новую — для дома из СИП-панелей с окнами и вентиляцией:

месяц	средн. темп	разница с +20	кВт	кВт*час в месяц
сентябрь	10,6	9,4	1,31	941
октябрь	4,0	16,0	2,23	1656
ноябрь	-2,4	22,4	3,12	2243
декабрь	-7,1	27,1	3,77	2805
январь	-10,7	30,7	4,27	3177
февраль	-9,7	29,7	4,13	2776
март	-4,5	24,5	3,41	2536
апрель	4,4	15,6	2,17	1562
май	11,8	8,2	1,14	849
ВСЕГО				18545

Если топить электричеством по цене 4 руб/Квт*час, получается 74180 руб. в год или 6180 руб/мес.

Дополнительные хитрости

Есть факторы, которые позволяют уменьшить теплопотери или затраты на отопление.

• Внутренняя отделка стен 2-мя слоями гипсокартона не только повышает пожаробезопасность, но и увеличивает теплосопротивление, делая стены на 4% теплее. Еще больший эффект даст любая внешняя облицовка стен (даже без утеплителя).
• Вентиляцию можно отключать в отсутствие жильцов.
• Увеличение толщины СИП-стен на 50 мм делает стены на 24% теплее, но требует немного больше денег при строительстве.

Есть и факторы, которые увеличивают теплопотери:

• Каркасная стена СИП-дома содержит внутри деревянные элементы, которые имеют более высокую теплопроводность. Это делает стены примерно на 9% холоднее.
• Самым плохим фактором могут быть сквозняки в районе входной двери и тамбура, но это уже тема другой публикации.