Утепление частного дома.

Утепление частного дома

Утепление частного дома.

В последние два года природа преподносила приятные сюрпризы в виде теплых зим. Благодаря этому, большинству потребителей природного газа удалось понизить расход  голубого топлива на нужды отопления. Но неумолимое удорожание газа, прогнозы специалистов на холодные зимы не дают повода к дальнейшему оптимизму. Как же уменьшить потребление газа и при этом не потерять в тепловом комфорте? Попробуем разобраться в данной статье, не прибегая к помощи сложных расчетов.

Рисунок 1.

1 — котел, 2 — радиатор, 3 — дымовая труба, 4 — трубы разводки.

Итак, у нас имеется система отопления в виде котла, труб разводки и отопительных приборов (радиаторов) см. рис1. Газ, сгорая в топке котла, выделяет тепловую энергию, обозначим ее Qполн. Часть энергии неизбежно теряется с уходящими дымовыми газами, назовем эту часть  Qпот.кот. Эти потери напрямую зависят от типа котла и температуры уходящих газов, чем выше температура тем выше потери. В идеале продукты сгорания необходимо охладить до температуры 0С или ниже, но на практике этого достичь нельзя, ведь охлаждаются продукты сгорания водой системы отопления, а охладить газы ниже температуры обратной магистрали (обычно 60С) физически невозможно. В современных традиционных котлах температура уходящих дымовых газов находится на уровне 90-130 С, это позволяет получить КПД котлов на уровне 89-93%. Формула для расчета КПД любого устройства проста:

КПД = Польза/Затрата, (1)

В случае котла Польза - это тепло которое воспринимается теплоносителем в котле и потом отдается радиаторами системы отопления в помещение. Назовем эту величину  Qпольз. Затраты - это природный газ, а другими словами, тепло которое он выделяет при сжигании - Qполн. Польза и затраты находятся в такой зависимости:

Qполн. - Qпот.кот. = Qпольз (2)

тогда КПД котла будет:

КПД = (Qполн. - Qпот.кот.)/Qполн. (3)

Анализируя эту упрощенную формулу (мы нарочно не берем во внимание потери связанные с цикличностью работы котла, с неполным сгоранием топлива, несовершенством системы распределения и потерями через обшивку котельного агрегата) видно, что снижая Qпот.кот. мы тем самым увеличиваем КПД котла. То есть, большая часть выделенного при сжигании топлива тепла будет передаваться в помещение и нам потребуется меньшее количество газа чтобы поддерживать комфортные условия в помещении — вот она экономия. Как же можно снизить потери тепла Qпот.кот.? К сожалению, без реконструкции котельного агрегата, а скорее всего, замены, не обойтись. Если у Вас, к примеру, установлен комбинированный котел на твердое и газообразное топливо с КПД около 60%, то установка нового современного агрегата с КПД 92% принесет реальную экономию топлива 32%.

В подавляющем же большинстве, в качестве старых котельных агрегатов рассматриваются отечественные напольные стальные водогрейные котлы с типичными КПД около 75-80%. В этом случае замена котельного агрегата на современный принесет экономию всего в 10-15%. Например, до замены котла годовое потребление газа составляло 5000 м3 после замены 4500 м3. При этом, стоимость «бюджетного» современного двухконтурного котла составляет около 3,5 тысячи гривен, не считая работ по установке и проектной документации. Суммируя затраты, получим цифру на уровне 5,5 - 6 тыс гривен. Какой же экономический эффект, а еще лучше какую окупаемость мы получим в итоге? Она напрямую будет зависеть от стоимости природного газа для населения. Например, при стоимости в 300 долл/тыс.м3 и реальной экономии 500 м3/год (то есть экономия 150 долл/год) затраты по замене котла окупятся не ранее чем через 7 лет. Не нужно забывать, что ресурс современных навесных котлов закладывается в районе 10 лет, то есть окупаемость такой реконструкции растягивается чуть ли не на весь срок «жизни» котла.

Есть ли другие пути по снижению затрат на отопление?

Давайте вернемся к рисунку 1. Система находится в равновесии, когда теплопотери объекта Qт.п. равны тепловой мощности :

Qт.п. = Qпольз,

На практике, зачастую мощность котла выше чем текущие потери и котел работает по принципу ВКЛ/ВЫКЛ. Но даже если минимальная мощность котла и равна текущим теплопотерям, фактическое потребление газа при этом будет практически одинаковым.

Любая система отопления работает на поддержание того уровня теплового комфорта в помещении который устраивает хозяина, то есть котел и система отопления просто КОМПЕНСИРУЮТ тепловые потери. Вывод прозаически прост — уменьшая тепловые потери, мы уменьшаем потребление газа. И если мы сумеем уменьшить теплопотери в 2 раза то и экономия по газу окажется тоже в 2 раза.

Рассмотрим формулу расчета теплопотерь через ограждающие конструкции (стены, пол, потолок, окно...)

Qт.п. = k * F * dt,   Вт  (4)

где  F — площадь ограждающей конструкции (например стены) в м2;

dt — разность температур внутреннего и наружного воздуха, С;

k — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции.

Анализируя формулу (4) видим, что уменьшить тепловые потери через некую стену  можно двумя способами: уменьшив разность температур (попросту понизив температуру воздуха в помещении, так как наружную температуру мы изменить не в силах). Но этот вариант неприемлем, ведь вряд ли кому то захочется жить в помещении с температурой +12, даже значительно экономя при этом на отоплении. Второй вариант снижения теплопотерь -  уменьшение коэффициента теплопередачи стены  k. Как этого достичь? Очень просто, нужно существующую стену покрыть слоем теплоизоляции.

Формула для расчета коэффициента теплопередачи:

k = 1/(1/α вн + Σd/λ +  1/α н ) , Вт/(м2*С)          (5)

где  α вн — коэфициент теплоотдачи со внутренней стороны стены, равен 8,7 Вт/(м2*С) ;

α н — коэффициент  теплоотдачи с наружной стороны стены, равен 23 Вт/(м2*С) для нашей климатической зоны;

d — толщина однородного слоя в многослойной стене, м;

λ — коэффициент теплопроводности данного слоя, (м*С)/Вт;

Если слоев 2 или больше то столько и будет составляющих d1/λ1 + d2/λ2 + d3/λ3 +... и формула примет вид

k = 1/(1/α вн + d1/λ1 + d2/λ2 + d3/λ3 + 1/α н )       (5.1)

Увеличивая толщину слоя (толщину стены) или выбирая материал для слоя с меньшим значением коэффициента теплопроводности λ, мы уменьшаем коэффициент k, а значит, и теплопотери.

Другими словами говоря, если нам удастся уменьшить коэфициент теплопередачи k в два раза, то теплопотери через данную конструкцию также уменьшатся в два раза.

Пример.

Наружная стена длиной 4м высотой 3м состоит из кирпичной кладки толщиной 50 см (кладка в два кирпича, кирпич красный полнотелый на цементно песчанном растворе). Слоем внутренней цементной штукатурки, толщиной 1 см  можно пренебречь. Коэффициент теплопроводности такой кладки λ = 0,8(м2*С)/Вт Коэффициент теплопередачи такой стены:

k = 1/(1/8,7 + 0,5/0,8 + 1/23) = 1,3 Вт/(м2*С),

Теплопотери через стену при разности температур 40С (на улице -20 в помещении +20):

Qт.п. = k * F * dt = 1,3 * (3 * 4) * 40 = 624 Вт.

Теперь, если рассматриваемую стену утеплить с помощью  минеральной ваты или стекловаты. Утепление с наружной стороны, толщина стекловаты 5 см, теплопроводность  λ = 0,045 (м*С)/Вт.

Коэффициент теплопередачи утепленной стены:

k = 1/(1/8,7 + 0,5/0,8 + 0,05/0,045 + 1/23) = 0,53 Вт/(м2*С),

теплопотери через утепленную стену:

Qт.п. = k * F * dt = 0,53 * (3 * 4) * 40 = 254 Вт.

Разница в теплопотерях до утепления и после:

ΔQ т.п. =  624 — 254 = 370 Вт

Как мы видим — утепление очень эффективный способ уменьшения потребления  природного газа. Если заменой котельного агрегата мы можем достичь экономии 10...15% (или 20...25% при использовании конденсационных котлов), то грамотно утеплив дом, можно уменьшить потребление природного газа в 2 а то и в 2,5 раза.

По нормам ДБН В.2.6-31:2006 «Конструкции домов и сооружений. Тепловая изоляция строений» для климатической зоны I (центральная северная и восточная часть страны) должны обеспечиваться следующие коэффициенты теплопередачи для частных домов:

Таблица 1 — Нормативные значения коэффициентов теплопередачи и термического сопротивления для частных жилых домов.

	Вид конструкции	Значение Rq min, м2 ·С/Вт не менее	Значение k (1/Rq min) Вт/(м2 ·С) не более
1	Наружные стены	2,8	0,36
2	Крыши и перекрытия неотапливаемых чердаков	4,95	0,2
3	Перекрытия над неотапливаемыми подвалами, расположенными ниже уровня земли	3,75	0,27
4	Перекрытия над проездами и холодными   подвалами, граничащими с наружным воздухом	3,5	0,29

Каким образом можно достичь нужных показателей коэффициентов теплопередачи? Ниже приведем пример кирпичной однородной кирпичной стены с толщиной 25 см (кладка в один кирпич). Материал - полнотелый красный кирпич на цементно-песчаном растворе.

Рисунок 2.

Таблица 2 — Коэффициенты теплопередачи при различном утеплении кирпичной стены

	Коэффициент теплопередачи Вт/м2С
Вид теплоизоляции	Толщина теплоизоляции, мм
	0	50	100	150
Пенопласт ПСБ — 25,  λ = 0,038 Вт/м*С	2,2	0,56	0,32	0,23
Стекловата ISOVER OL-E, λ = 0,041 Вт/м*С	2,2	0,59	0,34	0,24

Как видим, толщина теплоизоляции наружной стены не должна быть менее 100 мм. Затраты на теплоизоляцию наружных стен складываются из стоимости материалов (теплоизоляция, штукатурные смеси, сетка, дюбели, декоративная отделка) и стоимость работ. Как показывает практика, разница в общих затратах при использовании теплоизоляции толщиной 50 мм и 100 мм будет около 10% а по эффективности отличаться в полтора раза. Увеличение толщины теплоизоляции свыше 150 мм экономически не выгодно. Общая стоимость будет расти намного  быстрее чем эффект от экономии тепла. Итак, оптимальной толщиной  теплоизоляции при утеплении наружных стен (при использовании теплоизоляции с коэффициентом теплопроводности λ ≤ 0,041 Вт/м*С) является 100...150 мм.

Теперь поговорим об способах утепления. Чаще всего речь идет об утеплении уже возведенных и обжитых домов. С какой стороны утеплять? Утепление с наружной стороны наиболее подходит для жилых домов, так как имеет ряд преимуществ: -использование эффекта аккумулирования тепла несущими конструкциями здания;

-вынос «точки росы» за пределы несущей конструкции;

-не уменьшается полезный объем помещения.

Наружные стены при этом можно утеплять с помощью пенополистирольных или жестких минераловатных (стекловатных) плит с дальнейшим оштукатуриванием и покрытием декоративным отделками. Этот способ сейчас очень распространен у нас благодаря высокой технологичности и дешевизне основного утеплителя — пенопласта. Но нужно отдавать себе отчет, что пенопласт как материал имеет практически нулевое паропроницание. Это приводит к тому что помещения, утепленные с его помощью, нужно тщательно проветривать и удалять лишнюю влагу, иначе она будет конденсироваться в наиболее холодных местах — на оконных стеклах, углах.

 

Рисунок 3.

1 — стена, 2 — анкер, 3 — стержень соединительный, 4 — пластина фиксирующая, 5 — сетка стальная оцинкованная,  6 — плиты стекловатные «ISOVER» OL-E, 7 — слои штукатурки.

Другим способом является утепление под сайдинг и так называемые «вентилируемые фассады». Особенность данного метода, это отсутствие «мокрых» работ, то есть его можно проводить даже при отрицательной температуре наружного воздуха.

Рисунок 4

1 - Элемент облицовки типа “сайдинг”  полоса из экструдированного поливинилхлорида, 2 - Деревянный брус каркаса, 3 - Элемент крепления каркаса к стене, 4 - Плиты стекловатные ISOVER

В качестве покрытия, чаще всего используется виниловый сайдинг. Каркас может крепиться непосредственно на стену, а затем промежутки между профилями или деревянными рейками заполняются утеплителем. Возможен и вариант когда рейки или профиль укрепляется на специальных уголках (см. рис.4). Этот вариант предпочтительнее, так как усредненный коэффициент теплопередачи при таком способе крепления каркаса будет ниже. Если используются деревянные рейки для каркаса, то их необходимо пропитать антисептиком для дерева, который предотвратит от насекомых и грибков. Во время укладки утеплитель обычно крепят с помощью пластиковых дюбелей «зонтиков», поверх минеральных или стекловатных утеплителей желательно укрепить ветрозащитный слой. Это или готовые ветрозащитные плиты RKL, VKL производства ISOVER или тканевый ветробарьер, продаваемый в строительных гипермаркетах. При наружном утеплении стен не применяются пароизоляционные покрытия (паробаръер, гидробарьер), ведь стена должна «дышать» - пропускать через себя водяной пар, который выделяется комнатными растениями, людьми, получается при приготовлении пищи и пр...

Обязательно нужно предусмотреть промежуток между слоем изоляции и сайдингом не менее 20 мм, а лучше 40 мм. Он необходим для нормальной вентиляции утеплитиля. Он также обеспечивает хорошее «просушивание» теплоизоляции и не допускает прямого контакта сайдинга, на котором может происходить конденсация влаги и теплоизоляционного материала.

Рисунок 5 — Потолочное перекрытие.

а) до утепления, б) утепление со стороны чердака

1 — деревянные балки, 2 — глина с наполнителем, 3 — доска сосновая 20 мм, 4 — дранка, 5  — гипсовая или глиняная штукатурка, 6 — маты утеплителя, 7 — паробарьер, 8 — профиль, 9 — гипсокартон.

При утеплении потолков, особенно в одноэтажных частных домах, достигается очень хороший эффект по энергосбережению. Так, типичное потолочное перекрытие в домах старой постройки состояло из деревянных балок (см. рис.5), подбитых доской со стороны помещения, затем одранкованных и покрытых глиной или гипсовыми штукатурками. Сверху пространство между балками заполнялось смесью глины с опилками, или измельченной соломой, керамзитом. Коэффициент теплопередачи такого потолочного перекрытия составлял 1,6 - 2 Вт/м2С. После утепления даже слоем теплоизоляции в 100мм можно достичь показателей 0,4 — 0,6 Вт/м2С. При этом в худшем случае экономия для одноэтажного дома 100 м2 площадью с неотапливаемым чердаком составит 4 кВт (при наружной температуре минус 20С), а усредненная экономия за отопительный сезон составит до 800м3 природного газа.

Технология утепления потолочних перекрытий от наружных стен отличается в первую очередь тем что необходимо предусмотреть пароизоляцию. Для правильного утепления потолка придется демонтировать глиняную (гипсовую) штукатурку со стороны помещения и скорее всего дранку также. Затем доски потолка тщательно обрабатываются антисептиком. После высыхания потолок подбивается со стороны помещения паробарьером

Поверх паробарьера укрепляется оцинкованный профиль либо пропитанные антисептиком деревянные рейки. В ходе этой операции удобно выровнять дефекты потолка если они есть. К готовым рейкам крепятся листы потолочного гипсокартона и мы получаем идеально ровный потолок. Со стороны неотапливаемого чердака укладываются теплоизоляционные плиты ISOVER KL37, KL34 либо мягкие рулонные материалы КТ37, КТ40. Для потолочных перекрытий минимально рекомендуемая толщина утеплителя (с коэффициентом теплопроводности λ ≤ 0,041 Вт/м*С) составляет 150 мм. При заполнении пространства между балками это позволяет достичь усредненного коэффициента теплопередачи 0,4 Вт/м2С, а при укладке утеплителя поверх деревянных балок до 0,26 Вт/м2С. Это позволит сэкономить до 1000 м3 природного газа за отопительный сезон, при площади потолков 100 м2  (справедливо для климатической зоны 1). 

Утепление пола в большинстве случаев является невыполнимой задачей. Ведь   демонтаж деревянного пола и устройство «теплого пола» с подогревом или просто укладка утеплителя в бетонную стяжку являются очень дорогостоящими мероприятиями.

Мероприятия по энергосбережению.

Разберемся в первоочередности работ по утеплению.

Итак, у нас есть к примеру одноэтажный дом старой постройки, (см рис. 6) площадью 100м2. Материал стен — кладка полнотелого красного кирпича 50 см, потолок деревянный оштукатурен алебастром, пол деревянный, окна — раздельные переплеты, столярка.

Рисунок 6 — План одноэтажного жилого дома

Коэффициенты теплопередачи до утепления:

kок = 2,8 Вт/м2С;

kпот = 1,6 Вт/м2С;

kст = 1,3 Вт/м2С;

kпол = 1,8 Вт/м2С;

Площадь ограждающих конструкций: пол и потолок Fпол = Fпот = 100м2,  окна Fок = 15,3м2 (с наружными дверьми) площадь наружных стен за вычетом окон и двери Fст = 93 м2.

Произведя укрупенный расчет при расчетной температуре -22С (расчетная температура для Киева и области) и желаемой температуре в помещениях +20С получаем теплопотери (формула 4), которые используются для выбора котла и проэктирования системы отопления.

Q пот = 6,7 кВт;

Q пол = 2,7 кВт;

Q ст = 5,1 кВт;

Q ок = 1,8 кВт;

Всего Q т.пот = 16,3 кВт, а учитывая запас 10% на проветривание помещений и неучтенные потери получаем: Q общ = 18 кВт.

При расчете потребления газа на отопление используется средняя температура за отопительный период, по Украине это значение варьируется в пределах от -2,5С для Сум до +5,2 в Ялте. Берем усредненное значение + 1,3 С и длительность отопительного периода 170 суток. В целом по стране от 120 суток в Ялте до 185 суток в Сумах (при среднесуточной температуре ≤ 8С) . При КПД котла равном 90% расход газа на нужды отопления (без горячего водоснабжения) за отопительный период составит:

G = 3900 м3

Этот же показатель но для Киева и области : 4300 м3.

Где же есть смысл экономить?

К примеру, потери через окна в общем баллансе составляют не более 10%, так что замена столярки даже на самые совершенные стеклопакеты принесет экономию не более 5...6% за отопительный период. То есть, при серьезных затратах (8 окон каждое среднем по 300$ с монтажом) около 2,5 тыс долларов мы получаем экономию 200 — 250 м3 природного газа в год. Выходит, что большого смысла менять окна только с целью экономии газа нет, другой вопрос если окна изжили себя морально и физически и имеют много неплотностей.

Стены, а особенно потолок имеют наибольшую долю потерь в общем балансе, и их утепление даст максимальный эффект по энергосбережению. При изолировании потолочного перекрытия поверх несущих балок стекловатой КТ40 толщиной 150 мм мы можем достичь итогового коэффициента теплопередачи 0,28 — 0,3 Вт/м2С. Сравнивая с неизолированным потолком, это даст снижение расчетных теплопотерь на: 5,5 кВт!  За отопительный сезон это принесет экономию до 1300 м3 газа (для условий Киева и области). Но при утеплении потолка нужно помнить о хорошей пароизоляции со стороны помещения, в противном случае теплоизоляция наберет влаги и эффект от ее применения существенно снизится.

При утеплении стен под виниловый сайдинг самым простым способом — заполнением промежутков между деревянными рейками стекловатными плитами KL 37 суммарной толщиной 100 мм можно достичь коэффициента теплопередачи 0,42 — 0,45 Вт/м2С. Эффект — снижение расчетных теплопотерь на 3,3 кВт, а за отопительный период это принесет экономию до 800 м3 газа (для условий Киева и области).

Выводы очевидны, первоочередной задачей в частном доме по энергосбережению является утепление потолочных перекрытий, затем по эффективности идет утепление наружных стен, цоколя, замена окон. В радикальном варианте — демонтаж пола и устройство утепленного пола или напольного отопления. Но даже утепление потолка и стен в рассматриваемом случае дает экономию до 2,1 тыс м3 газа за отопительный период. Согласитесь в мире постоянно дорожающего природного газа это очень существенный аргумент.

Успехов Вам и тепла Вашим домам.