Теплый плинтус вместо радиаторов для отопления дома

Наткнулся на новую для себя систему отопления - на основе теплого плинтуса. Ее использование имеет ряд преимуществ перед традиционным водным отоплением на основе радиаторов. В этой системе не воздух помещения греет стены, а стены греют тех, кто находится в комнате.

Прикинул я теплоемкость несущих стен в брусовом доме. И теплоемкость получилась примерно в 40 раз больше воздуха в отапливаемом объеме. А это значит, что для того чтобы температура воздуха в доме стала выше на 1 градус нам необходимо потратить энергии в 40 раз  (грубо) больше на прогрев стен на 1 граду, чем на нагрев воздуха. Вот это обстоятельство меня смутило и заставило задуматься. С таким обогревом получается как в басне - ах, моська, знать она сильна, раз лает на слона. А нельзя ли, наоборот подумал я, сначала греть стены, а они чтобы грели воздух.

И решение тут же нашлось в виде технологии отопления на основе теплых плинтусов.
В этой технологии отопления вдоль стен вместо плинтусов разводятся мини-батареи (в вырожденном случае это могут быть просто теплые трубы). Они создают мини потоки теплого воздуха вдоль стен, которые их нагревают в результате конвекции. А далее стены нагревают другие предметы в помещении благодаря лучистому теплообмену. Плюс сам плинтус излучает в области ног.

У этой технологии отопления целый ряд преимуществ
- отсутствие больших конвективных потоков, как в случае отопления с помощью радиаторов и теплым полом, а значит и пыль подымается не подымается
- равномерное распределение температуры по высоте (а не так, что вверху жарко, а ногам холодно)
- отсутствие мощных радиаторов под окнами, отопление распределено по всему пространству помещения
- более высокий температурный комфорт, так как стены получаются теплее, чем при обогреве воздухом от радиаторов
- возможность сделать температуру воздуха в помещении ниже, с таким же температурным комфортом
- лучше себя чувствуют стены, так как температура внутренних поверхностей выше, в том числе можно греть углы

Как и у каждой технологии, у этой технологии, наверное, есть и недостатки. Пока я их явно не осознал. Мне не так очевидно не увеличиваются ли затраты на отопление. Плюс пока не понятна цена вопроса, насколько это может оказаться дороже обычной радиаторной системы.

По теплым плинтусам можно почитать, например, по ссылке
http://теплый-плинтус.рф

Расчет теплопотерь ограждающих конструкций с учетом неоднородных элементов

Наконец разобрался как по-правильному считать теплопотери дома, учитывая не только плоские поверхности стен, но и различные ребра (стен со стенами, стен с перекрытиями, периметры окон и дверей) и примыкания. Путь был достаточно тернист. Запишу чтобы не забыть.

Из-за того, что внешняя поверхность в углах намного больше внутренней, теплопотери через них существенно выше, чем через плоскость стены. Потери через неоднородные поверхности могут составлять до 30-40% общих теплопотерь через ограждающие конструкции.

Начну с того, что так, как теплопотери через ограждающие конструкции прямо пропорциональны разнице между внутренней и наружной температурой воздуха, поэтому при их анализе сначала считают значения теплопотерь, соответствующей разности температур в 1 градус. Чтобы получить значение для реальных температур достаточно умножить полученное значение на разницу температур.
Q = H * (Tн-Tв) [Вт] [Дж/с]

Собственно теоретически посчитать величины H для ограждающей конструкции здания было примерно понятно из СнИП. Теплопотери складываются по участкам ограждающих конструкций различных типов
- по всем плоским участкам (стенам, перекрытиям, прозрачным и непрозрачным элементам окон)
- по всем линейным участкам (углам дома, примыканиям стен, балконов, границам окон и дверей)
- по всем точечным включениям (гвоздям и т.п., их пока отложим)

Что можно записать в виде формулы
H = Сумма(Ui*Ai) + Сумма(Фj * Lj) + Сумма (Xk)

Здесь
H - теплопроводность ограждающей конструкции (Вт/С)
Ui - теплопроводность плоского участка i (через 1м2)
Фj - теплопроводность линейного участка (Psi-value) (через 1 м)
Xk - теплопроводность через точечные включения
Ai - площадь внутренней поверхности i-го плоского участка (м2)
Lj - длина j-го линейного участка

Ui - определеяет количества тепла (Вт / м2*С), проходящего сквозь плоский участок площадью 1 м2 при разности температур воздуха внутри и снаружи 1 С. Например при U= 0,3174 Вт/м2*С и разности температур 48 С,  для получения теплопотерь через стену в 10 м2, перемножаем все величины U*10*(Tн-Tв) и получаем 152,3 Вт.

Фj - количество тепла (Вт / м*С), уходящее с одного погонного метра j-го линейного участка  (ребра двух стен, примыкании, границах окон и дверей) при разности температур внутри и снаружи в 1 С. Здесь я пишу Ф для обозначения символа Psi, который стандартно используется для этих целей. Например в качестве пессимистичной оценки для периметра окон берут Фj = 0,15.  И тогда для окна с периметром 6 метров (1.5*1.5) получаем потери тепла через границу примыкания рамы окна и стены равным 6*0,15 = 0,9 Вт. (при разности температур 1 С ). При разности температур в 48 градусов через примакание окна теряется 0,9 * (20-(-28)) = 43,2 Вт.

Для получения числового значения Фj при расчете теплопотерь через линейные участки (мостики холода) используется построение тепловых полей на компьютере. Для стандартных конфигураций можно тепловые поля не строить, а взять пессимистичные значения. Для нестандартных конфигураций для получения реальных значений нужно строить тепловые поля.

Достаточно долго я мучился с методикой вычислением этих теплопотерь через линейные участки. Все никак дебет не сходился с кредитом. В результате оказалось, что
- существует два способа расчета (по внутренним и внешним стенам), в которых Фj имеют разные значения
- и второе Archicad EcoDesigner 17 (build 5019) отображает не верное значение Ф на основе построенного теплового поля

И только после изучения приличного количества материалов и установки бесплатной программы для построения тепловых полей THERM у меня в голове все сложилось.
На рисунке ниже схематично изображены два способа расчета величины Ф. При расчете по внутренним стенам величина Фint добавляется к теплопотерям через внутренние плоские участки. А при расчете по внешним стенам Фext по сути вычитается из теплопотерь через внешние плоские участки.

В нашем СнИП Тепловая защита зданий используется Фint. А вот за рубежом часто используется Фext. В стандартах проектирования пассивных домов указано требование, что Ф для всех тепловых мостов должно быть меньше 0,01. Здесь речь шла как раз о Фext. А я считал Фint, значения которого ну никак не получались такими малыми при любом утеплении углов. Плюс еще ошибка в EcoDesigner при расчете Ф меня с толку сбивала.

В результате значение Ф я научился считать в бесплатной программе (THERM), которую для этих целей похоже активно используют инженеры по всему миру. Для оценки в THERM берут двумерную область конструкции, содержащий неоднородный участок, к которой примыкают однородные. Собственно THERM позволяет в результате построения теплового поля оценить суммарные теплопотери Qsum через неоднородную и однородные констркции. После этого, зная теплопотери через однородные участки Ufl и Uw, а также их размеры Lint и Hint, легко подсчитать потери через углы.
Фint = Qsum - Ufl * Lint + Uw * Hint

А теперь вернусь к вычислению теплопотерь через плоские участки (стены, перекрытия,..) Теплопотери черед плоские участки Ui можно посчитать аналитически (по формулам).
Теплопотери через плоский участок (стены, перекрытия, ...) характеризует величина теплопроводности U-value, которая измеряется в Вт / м2*С. Теплопотери обратно пропорциональны тепловому сопротивлению участка U = 1 / R. Именно тепловое сопротивление нормируется в СнИП. Для Москвы для стен оно должно быть R >= 3,15, а для перекрытий R >= 4.6

Для многослойной конструкции (например брус, утепление, ...) сопротивления ckjtd складываются R = R1+R2+..... К этом делу добавляются еще тепловые сопротивления слоев воздуха (учитывает теплообмен стены с воздухом за счет конвекции), который примыкает к плоскому участку внутри (1/8.7) и снаружи (1/23).   (значения взяты из СнИП, для Москвы).

Rобщее = 1/8,7 + R1+R2+.....  Rn + 1/23

Собственно R характеризует тепловое сопротивление слоя некой толщины d и вычисляется на основе коэффициента теплопотерь Lyambda материала, как R = d / Lyambda. Именно значение Lyambda приводится в различных справочниках теплопроводности материалов. Например, коэффициент теплопроводности Lyambda сухой минеральной ваты может быть (зависит от плотности и влажности) 0,04, а Lyambda бруса из сосны равен 0,15. Например для стены из бруса 150мм утепленной 100мм минеральной ваты получаем

Rобщ = 1/8.7 + 0,1/0,04 + 0,15/0,15 + 1/23 = 3,6584

или теплопотери через квадратный метр такой стены Uобщ = 1/Rобщ = 1/3,6584=0,2733 Вт/С
При разности температур внутри и снаружи в 48 градусов получаем теплопотери с квадратного метра такой стену 13,12 Вт

Если плоский участок не совсем однородный, а в нем есть различные включения типа стоек каркаса утепления, приведенное теплопроводность слоя рассчитывается исходя из площадей разнородных элементов Ui = (Ua*Sa + Ub*Sb) / (Sa+Sb). Для примера я посчитал теплопроводность стены (брус 150 + эковата 100 + изоплат 25) с учетом и без учета стоек двойного каркаса. Значение теплопотерь с учетом стоек получилось примерно на 10% больше. При расчете теплопроводности черех перекрытие с использованием деревянных лаг, их тоже необходимо учитывать при расчете. Расчет теплопроводности неоднородных плоских элементов также можно делать с помощью построения тепловых полей.

Следующий мой шаг - это посчитать значения U и Ф для всех типов плоских и линейных участков нашего проекта. После этого я смогу забить их в проекте Archicad EcoDesigner и получить суммарные теплопотери с учетом реальных площадей нашего проекта.

Характеристики минеральной ваты и эковаты по отношению к влаге

То что минеральная вата не есть гуд для утепления брусового дома я давно осознал. Поэтому планировал использовать для утепления эковату.  Но для утепления потолка были мысли использовать  мин.вату. И тут я натолкнулся на статью (см. по ссылке) по тому как себя ведет влага в различных материалах. В этой статье очень хорошо показаны отличия мин.ваты и эковаты в отношении способности выводить влагу. И отличия эти не в пользу мин.ваты, что заставило меня задуматься а стоит ли ее использовать на потолке.

Ниже я привожу общие рассуждения, описывающие картину так, как я ее понимаю. Для того чтобы все это утверждать наверняка все описанные ниже эффекты нужно посчитать и сравнить количественно, чего я пока не могу сделать.

Утеплители теряют свои тепловые свойства при увлажнении, но теряют они эту способность по разному. В вышеуказанной статье есть график, на котором видно что теплопроводность мин.ваты существенно увеличивается (почти в два раз) уже при 1% увлажнении.

Эковата не теряет своих свойств утепления до более высокой степени увлажнения (до 18%). Плюс эковата имеет целый ряд отличных свойств (описаны ниже), которые способствуют ее более быстрому высыханию. Именно это позволяет использовать эковату для утепления брусовых стен без пароизоляции. В случае с мин.ватой пароизоляция обязательна, что не есть хорошо для брусовой стены, так как это закупоривает в ней влагу. Но дальше я забуду про брусовую стену и буду рассматривать вывод влаги из каркасной стены, утепленной либо мин.ватой, либо эковатой.

                                   

Из-за повышения теплопроводности, утеплитель в каркасной стене (или потолке) должен обязательно быть защищен изнутри влагозащитной пленкой. Данная пленка теоретически должна защищать утеплитель от намокания. Но вот на практике сделать эту идеальную влагоизоляцию от внутренней влаги не очень реально. Даже если ее удалось сделать, со временем защита может быть нарушена.  На практике влага в утеплитель все равно попадает. В том числе влага попадает в утеплитель при строительстве. А потому очень важно сделать так, чтобы влага из стены быстро выводилась, а сам утеплитель должен этому способствовать.

Вот тут-то и начинаются отличия мин.ваты от эковаты. Благодаря своим полым волокнам и наличию пор необходимых размеров эковата может впитывать водяной пар из воздуха и удерживать ее (гигроскопический эффект). При увеличении относительной влажности воздуха от 50 до 85 %, эковата увеличивается по массе на 9%, а мин.вата только на 1%.
Эковата также способна впитывать жидкость благодаря наличию каппиляров. Эковата способна впитать более 10 кг с м2 воды, мин.вата же только 0.1 кг.

Попав в пирог стены, влага не моментально выводится наружу. На просушку стены нужно время и определенные условия. В случае с мин-ватой влага не удерживается в утеплителе и может накапливаться в несущих конструкциях каркаса, приводя к его быстрому выходу из строя. Этому накапливанию способствует то, что минеральная вата не обладает способность гигроскопичности, то есть способности извлекать влагу из воздуха и удерживать ее, так как это умеет делать эковата. Если в мин.вате влага конденсируется, то она стекает на конструкции каркаса. Либо влага просто засасывается из воздуха в деревянные конструкции каркаса. Эковата благодаря своим полым волокнам имеет очень высокие гигроскопические способности. Она способна забирать влагу из более влажного воздуха и удерживать ее. При этом влага находится в порах эковаты и не уменьшает ее свойств утепления (естественно до некоторого предела, пока капилляры не переполнятся). В результате влага, попавшая внутрь пирога стены с эковатой не накапливается в конструкции каркаса, а удерживается в объеме эковаты в месте проникновения влаги до ее высыхания.
                            




Рис. Поведение влаги в мин.вате с OSB снаружи (слева) и в эковате с изоплатом снаружи (справа)

Для того чтобы стена сохла важно влагу не закупорить снаружи. Однако достаточно часто снаружи каркасной стены, утепленной мин.ватой, устанавливаются листы OSB, у которых достаточно низкая паропроницаемость (типичное значение 216 MNs/gm, примерно такое же значение у сосны попере волокон). Наверное, предполагается, что теоретически влаги в стене нет, ведь стена защищена изнутри влагозащитной пленкой. Сверху OSB еще часто используют полестерол для дополнительного утепления мостиков холода каркаса (типичное значение 150 MNs/gm).  В случае каркасных стен с утеплением эковатой снаружи обычно используют древесно-волокнистые плиты, аля изоплат. Последние имеют паропроницаемость в 8 раз лучше (типичное значение 25 MNs/gm), чем OSB и не закупоривают влагу в стене, из которой она легко выходит.

Первый перекресток

Дорогу засыпали песком. Начали снимать черноземный слой на параллельной дороге внутри поселка. Похоже, что внутри поселка дороги будут поуже, чем нашм центральная. На фотографии первый перекресток, тот, что находится за один участок не доезжая до нашего. Завезли столбы для установки на нашей дороге, думаю в ближайшее время установят.

Температура внутренних стен неутепленного брусового дома

Ни один из размеров от 150 до 250 см бруса не обеспечивает требуемую температуру в углах дома при расчетной наружной температуре -28 С. Как следствие в деревянном брусовом доме как минимум необходимо утеплять углы. Утеплять то нужно все стены, но углы просто обязательно.

Один из параметров, которые должны контролироваться при расчете энерго эффективности дома является температура внутренних поверхностей стен. В соответствии с "СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СниП 23-02-2003" температура внутренних поверхностей стен должна удовлетворять следующим требованиям:

- быть выше температуры точки росы (для жилых зданий это около 12 С)

- температурный перепад между внутренней поверхностью стены и внутренней температурой воздуха должен быть не более 4 градусов (требование комфортности).

Самая низкая температура внутренней поверхности наблюдается в различных углах дома (стены-стены, стены-пол, стены-потолок, стены-окна и т.п.). Именно ее необходимо в первую очередь контролировать при расчете утепления дома.

Если температура на внутренней поверхности углов будет меньше или равна температуре точки росы, то на внутренней поверхности будет конденсироваться влага и образовываться плесень, чего необходимо всеми силами избегать. 

Расчет температурного поля с помощью различных программ (Archicad EcoDesigner или бесплатной THERM) позволяет посмотреть температуру на внутренних поверхностях. Для эксперимента я проделал это для угла из бруса различной толщины и при различных наружных температурах.

Вот так выглядит графического отображение распределения температур (левый рисунок) и интенсивности теплового потока (правый) в углах деревянного дома из бруса 150 мм при наружной температуре -28 С и внутренней температуре 20 С.

 

При проведении всех расчетов температур использовались следующие параметры:

Внутренняя температура воздуха 20 С

Теплопроводность дерева 0,15 Вт/м*С
Внешний коэффициент теплопередачи 23 Вт/м2*C
Внутренний коэффициент теплопередачи 8,7 Вт/м2*C

Результаты расчета температуры в углах брусового дома сведены в таблице

Толщина бруса	-28 С	-15 С	-5 С
150мм	5	9	12,2
200мм	7	10,8	13,3
250мм	9	12,1	14,3

В следующей таблице приведены результаты расчетов температуры на внутренних поверхностях стен брусового дома в удалении от углов

Толщина бруса	-28 С	-15 С	-5 С
150мм	14,2	15,4	17,1
200мм	15,7	16,7	17,8
250мм	16,4	17,4	18

Их этих расчетов вытекают следующие выводы.

• Все размеры бруса от 150 мм до 250 мм обеспечивают температуру внутренней поверхности стены большую точки росы (+12 С) даже при самой низкой наружной температуре -28 С.
• Ни один из рассмотренных размеров бруса не обеспечивает температуры на внутренней поверхности в углах дома выше точки росы при наружной температуре -28 С, а значит там будет конденсироваться влага, что может приводить к образованию плесени.
• Брус 150 мм не обеспечивает температурный перепад меньше 4 градусов.

В данном расчете не учтен эффект инфильтрации воздуха через стены (проще говоря продувания).

Начали делать дороги по поселку

Начали делать дороги по поселку! За предыдущую неделю сняли верхний плодородный слой на дороге от моста со стороны Пятницкого шоссе и ровно до нашего участка.

Начинается движуха. Кроме дороги за прошедшую неделю появилась бытовка на участке через один от нас.  Застали хозяев. На следующей неделе на этом участке начинается строиться первый дом на нашем поле!

Archicad EcoDesigner для расчета энерго эффективности

Последнее время занимаюсь расчетом энерго эффективности дома. Вернее учусь это делать, как теоретически, так и практически

Недавно на работе услышал такую фразу от одного из заказчиков: У меня тут полный шкаф с книгами, содержащими формулы, но они мне не нужны. Мне нужны программы, которые умеют считать по этим формулам.

Наши СНиП содержат все нужные формулы (достаточно большое количество). Это позволяет разобраться как теоретически посчитать все характеристики энерго эффективности дома. Но следующим (уже практическим) шагом придется написать эту самую программу, чтобы действительно что-то посчитать.

И тут-то я вспомнил про расширение Archicad под названием EcoDesigner, которое как раз и занимается всеми расчетами энерго эффективности зданий. Оказалось, что с последней версии Archicad 17 вышла существенно обновленная версия под названием EcoDesigner STAR 17.

В общем удалось мне этот инструмент попробовать и можно сказать, что я его уже освоил и могу применять. Сейчас нахожусь в процессе осознания какие вычислительные модели лежат в его основе и насколько они соответствуют нашим СНиП.

Точность вычисления данного инструмента подтверждена сертификацией. Есть набор тестов для подобных инструментов на основе которых производится их независимая сертификация.

Инструмент позволяет рассчитать поступления от различных источников тепла:
- тепло от систем отопления
- тепло поступления от людей
- тепло от освещения и бытовых приборов
- тепло, поступающее от солнца
- тепло, проникающее снаружи летом


И сопоставить поступления с излучаемой домом энергией (с затратами энергии)
- теплопередача через ограждающие конструкции (стены, перекрытия, окна, двери)
- потери тепла, связанные с выбросом нагретого воздуха при вентиляции (естественной и приточной)
- потери тепла, связанные с нагревом воздуха, поступающего и уходящего через щели из-за разности давлений внутри и снаружи дома (инфильтрации)
- энергию, уходящую с теплой канализационной водой
- расходы энергии на охлаждение  летом

В результате строятся графики затраченной и излученной энергии для каждой зоны здания и временных промежутков. Эти графики являются очень хорошей основой для сравнения различных мероприятий по повышению энерго эффективности дома. Для примера приведу один из промежуточных графиков исключительно для визуализации как это выглядит на выходе.

Но даже при использовании инструмента работа эта не маленькая. Чтобы провести вычисления необходимо определиться с огромным количеством входных данных, характеризующие конструкции и системы дома, а также профили его использования.