Кратность смены воздуха за счет инфильтрации

Воздух, проходящий через наружные конструкции дома: стены, окна, перекрытия уносит тепло. Решил вот оценить сколько воздуха приходит/уходит через эти контсрукции и сравнить его с объемами, необходимой на вентиляцию дома (1 объем дома / в час). В результате получил, что при самых сложных условиях для нашего дома инфильтрационный воздух будет меньше в 6-7 раз необходимого объема на вентиляцию. Правда качество монтажа может существенно снизить данные цифры.

Сопротивление инфильтрации зависит от материалов ограждающих конструкций и плотностей различных стыков. Похоже, что для нашего дома инфильтрация будет в основном определяться качеством стыков.

Рассмотрим инфильтрацию через ограждающие конструкции: стены, окна, чердачное перекрытие.

Предполагаемый пирог стены нашего дома снаружи -> внутрь (площадь 116 м2):
- штукатурка
- ветрозащитные плиты изоплат - 0,25 см  (2,5*10-7 м3/м2*с*Па)
- эковата 20 см  (5*10-4 м3/м2*с*Па)
-профилированный бруc - 15 см (не учитываю из-за щелей в пазах при усыхании)
Пленок нет, может быть стоит применить крафт бумагу между брусом и эковатой (еще не решил).

Чердачное перекрытие (чистая внутренняя площадь 150 м2)
- эковата - 400 мм (2,5*10-4 м3/м2*с*Па)
- крафт бумага (2,5*10-5 м3/м2*с*Па)
- черновой потолок - доска 25 мм
- чистовой потолок (???) - пока не учитываю

За рубежом потери на инфильтрацию считают при разности давлений 50 Па. Эта цифра примерно соответсвует температуре -28 и ветре 10 м/c, при которых разность давлений составляет около 45 Па (как рассчитать см. пост Разность давлений на ограждающих конструкциях дома).  Я посчитаю для разновсти давлений 50 и 10 Па. 10 Па соответствуют Т=-28 и ветру V=3,9 (средний за январь).

Для стен свойствами ветрозащиты эковаты можно пренебречь, так как они в 2000 раз хуже, чем у ветрозащитной плиты Изоплат.
Рассчитываем объем воздуха, проходящий через стены
Для разности 10 Па получаем 116 м2 * 2,5*10-7 * 5 Па * 3600 с = 0,522 м3/час
Для разности 50 Па получаем 116 м2 * 2,5*10-7 * 25 Па * 3600 с = 2,61 м3/час

В формуле берется средняя разность давлений - 5 и 25 Па, действующая на единицу площади здания.

Значение воздухопроницаемости для крафт бумаги определяется по методу Герли и задается в количестве секунд за которые 100 мл воздуха пройдут через 6,5 см2 при 1,22 кПа. Для крафт бумаги это значение колеблется в диапазоне за 5-35 с, в зависимости от типа.
Взял значения для крафт бумаги отсюда и описание метода Гарли здесь .

Для чердачного перекрытия с холодным чердаком разность давлений будет определяться только гидростатическим давлением из-за разности температур (без ветрового напора). Возьмем при Tн=-28С и Тв=20С значение dP = 3,47 Па. У потолка будет избыточное давление по отношению к давлению на чердаке, приводящее к тому, что теплый воздух будет подниматься через перекрытие вверх.

Для расчета воздухопроницаемости чердачного перекрытия я взял худшее значение для крафт бумаги 5 с и перевел его в в 2,5*10-5 м3/м2*с*Па. Как видим это значение в 10 раз меньше, чем для слоя эковаты в 40 см, а значит крафт бумагу под эковату на чердаке надо обязательно класть, что может уменьшит потери воздуха через чердачное перекрытие в 10 раз! Как следствие воздухопроницаемостью эковаты я пренебрегаю и считаю инфильтрацию через чердачное перекрытие только исходя из воздухопроницаемости крафт-бумаги.
150 м2 *2,5*10-5 * 3,47 Па * 3600 с = 47,2 м3/час

Для супер плотной крафтбумаги со значением по Герли 35 секунд получаем инфильтрацию 6,75 м3/час. Но такие значения скорее всего не достижимы.
Если из-за теплопотерь на чердаке будет чуть теплее, чем снаружи, то инфильтрация будет меньше.

Инфильтрация современных пластиковых окон на порядок ниже старых деревянных, но далеко не минимально, как можно предположить. Беру значение сопротивление инфильтрации Rin=1,3 м2*ч/кг из книги В.А.Майоров "Передача теплоты через окна" для пластиковых окон класса А. Площадь остекления 50 м2. Рассчитываем количество воздуха при инфильтрации как, не особо углубляя в детали

50м2 * 1/1,3  / 1,29 кг/м3 = 29,8 м3/час 

50м2 * 1/1,3  / 1,29 кг/м3 * (50/10)^(2/3)= 87,1 м3/час

Суммируя инфильтрацию через перекрытие, стены и окна и объемы инфильтрационного воздуха через ограждающие конструкции при разности давлений 10 и 50 Па.

Vin10 = 0,522 + 47,2 + 29,8 =  77,522 м3/час
Vin50 = 2,61 + 47,2 + 87,1 = 136,91 м2/час

Нормативный объем смены воздуха для вентиляции составляет 450 м3/час для нашей площади. Как видим, даже при самых сложных условиях дом пропускает воздуха меньше, а при средних условиях существенно меньше, чем это необходимо для вентиляции.

Вклад каждой конструкции разный. Стены с ветрозащитной плитой практически непродуваемы. Основной вклад в инфильтрацию вносят чердачное перекрытие и окна. В расчете использовались очень хороши окна. Следовательно это получен теоретически достижимый предел для окон. В данных условиях улучшать ветрозащиту перекрытия вроде как не оправдано (надо еще посмотреть с позиции влажности, которую привносит в перекрытие данный воздух).

Опять же надо подчеркнуть, что все это теоретически достижимые значения, на практике при некачественном монтаже и без заделки каждой щели в конструкциях, объемы инфильтрационного воздуха могут стать гораздо больше.

Разность давлений на внешних конструкциях дома

Для того, чтобы рассчитать сколько воздуха уходит/входит в дом, унося драгоценное тепло, необходимо знать разность давлений внутри и снаружи ограждающих конструкций. Уносимое тепло с инфильтрацией прямо пропорционально этой разности давлений и обратно пропорционально сопротивлению инфильтрации конструкции. Разность давлений складывается из статического гравитационного напора воздуха и динамического ветрового давления. Количественные значения могут достигать при

Сначала приведу максимальные значения разности давлений. При наружной температуре -28 градусов и внутренней +20 градусов максимальная разность давлений на ограждающих конструкциях составляет
3,47 Па - при нулевом ветре (только статическое гравитационное давление)
9,92 Па - при среднем ветре за январь 3,9 м
45,8 Па - при ветре 10 м/c
332 Па - при максимальном ветре 28 м/c .

А теперь как это можно посчитать
dP=dP1+dP2 (гравитационное + ветровое)

dP1 = Pн-Pв= (H/2-y)*(gн-gв), где g вычисляются по формуле
g = 3463/(273+t), где t -температарура воздуха
y - высота от пола первого этажа
H высота от пола первого этажа до потолка второго

Гравитационная разность dP1 зависит от температур столба воздуха внутри и снаружи. Она нулевая при одинаковых температурах. На уровне пола давление в помещении меньше и для одноэтажного здания с потолками 3 метра dP1 имеет значение 1,5 Па (при Tн=-3) и 3,47 (при Tн=-28). На высоте 1.5 метра от пола разница гравитационных давлений нулевая, а на высоте 3 от пола метра давление в доме больше на ту же величину.  За счет наличия гравитационной разности при открывании двери сверху выходит теплый воздух, а снизу двери заходит холодный воздух, даже при отсутствии ветра.

Динамическое давление ветра вычисляется по формуле dP2=0,03*gн*V^2
здесь g для наружного воздуха вычисляется по той же формуле, что для статического давления. V - скорость ветра в метрах в секунду. Как видим, зависимость разности давлений квадратичная от скорости ветра.

Гравитационная разность давлений эквивалентно постоянному наличию ветра. Так статическое давление при Tн=-3 соответствует ветру 1,98 м/c, а при Tн=-28 соответствует ветру 2,86. Отличие статического давление от ветрового - его нет на половине высоты помещения. Ветровое давление при постоянном ветре есть с двух сторон здания, с одной стороны напор, с противоположной - разрежение. Поэтому, для получения среднего давления на стены можно общее максимальное давление просто поделить на два.

Гидравлический расчет отопления и водоснабжения

Очень удачно наткнулся на целый ряд хороших статей, посвященных вопросу выполнения гидравлического расчета систем отопления и водоснабжения.

Конструктор водяного отопления
Гидравлика и теплотехника

До недавнего момента я почему-то думал, что гидравлический расчет выполняется примерно так же, как расчет для электрических цепей. Только в роли резистора здесь выступает гидравлическое сопротивление. Но оказалось, есть существенные отличия.

Три важных термина, которые я усвоил - расход, напор, гидравлическое сопротивление. Напор создает насос (например, циркуляционный), чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление и обеспечить определенный расход жидкости в гидравлической системе. Аналог расхода - это ток в электрической схеме, аналог напора - напряжение.

Основное отличие от электрических цепей - это зависимость сопротивления гидравлической системы от скорости движения жидкости по ней. Оно также зависит от типа течения: ламинарного, турбулентного, переходного. В результате две абсолютно разные на взгляд параллельные ветки гидравлической системы могут обладать одинаковым гидравлическим сопротивлением, просто потому, что расход жидкости в этих ветках будет подобран соответствующим образом.

Как я теперь начинаю понимать на этом основаны настройка теплых полов. Либо контуры теплых полов должны быть одинаковыми, либо на коллекторе ставятся расходомеры, с помощью которых производится настройка.

Биологическое загрязнение воздуха в приточной вентиляции

Мой текущий уровень знаний по вопросу бактериального загрязнения такой, что даже просто использование приточной вентиляции вызывает вопросы, а не заведется ли там что-то, чем мы будем дышать. Как я понимаю, заводится. А для того, чтобы не заводилось в вентиляции ставят разные облучатели воздуха. Частным вопросом является использование грунтового теплообменника.

Грунтовый теплообменник применяется для предварительного нагрева воздуха в системе приточной вентиляции. Воздух проходя через трубы, закопанные в землю, нагревается. Это позволяет снизить затраты на подогрев свежего воздуха. Плюс решает проблему обледенения рекуператора из-за низкой температуры входящего воздуха. 

Использовать воздушный грунтовый теплообменник несколько опасаюсь из-за вопросов биологического загразнения воздуха в трубах ГТ. Такой ГТ нужно периодически чистить от биологических загрязнений. В этом вопросе либо нужно очень глубоко разобраться, либо не стоит с этим связываться.

Из открытых форточек поступает более менее свежий воздух. А вот, что поступает из трубы, зарытой в землю - это вопрос. Говорят, что за рубежом были целые эпидемии заболеваний при использовании ГТ, так как в трубах

У Rehau есть решение по созданию воздушного ГТ. В нем применяются специальные трубы с внутренним покрытием, препятствующим бактериальному загрязнению.
http://www.rehau.com/download/796340/rehau-awadukt-thermo-sales-brochure.pdf
http://www.rehau.com/download/785926/awadukt-thermo-domestic-installation-guide.pdf
У нас в основном те, кто делаеют ГТ, укладывают для этого канализационные трубы.

Есть вариант использовать жидкостный грунтовый теплообменник. В этом случае по трубам циркулирует антифриз. А входящий воздух проходит через калорифер, подогреваемый данным антифризом. В этом способе нет проблемы с биологическим загрязнением. Следующий шаг после этого - это тепловой насос.

Окупаются ли энергоэффективные технологии?

Текущие низкие цены на газ в России делают экономически неоправданными применение многих энергоэффективных технологий при строительстве дома, будь то энергоэффективные окна, приточная вентиляция в рекуперацией, солнечные коллекторы для нагрева ГВС, супер утепление оболочки дома. К сожалению.

Я посчитал стоимость газа на отопление+вентиляцию+ГВС нашего дома при утеплении в соответствии с текущими СНиП. С учетом текущих неопределенностей реальных КПД котлов и качества газа (см предыдущий пост), затраты на газ для нашего дома получается в диапазон от 25 до 60 т.р. в год. В принципе диапазон терпимый.

Исходные данные для расчета: Цена газа 4,6 руб/м3, площадь дома 150 м2, высота потолков 3 м, ГВС из расчета 70 литров на человека, проживание 5 человек. Не
Отопительный период 214 дней, средняя температура отопительного периода -3, температура в помещении 20 градусов

Я рассмотрел два сценария - оптимистический и пессимистический
В оптимистическом: тепловыделение при сжигании газа 9,4 кВт/м3, КПД газового котла  90%
В пессимистическом: тепловыделение при сжигании газа 5 кВт/м3, КПД газового котла 70%

Для оптимистического сценария
Отопление: 10181 руб
ГВС: 4355 руб
Вентиляция: 10457 руб
Итого: 24993 руб в год

Для пессимистического сценария получились следующие цифры:
Отопление: 24741 руб
ГВС: 10582 руб
Вентиляция: 25409 руб
Итого: 60773 руб в год

Все энергоэффетивные технологии, которые я рассматривал способны увеличить эффективность дома в 2 раза. А значит дать выигрыш в диапазоне от 12,5 до 30 т.р. в год, так затраты на газ будут в два раза меньше.  Существует мнение, что срок окупаемости в строительстве должен быть не больше 12 лет. Получается, чтобы получить срок окупаемости 12 лет на энергоэффективные технологии я могут потратить в диапазоне 150-360 тысяч рублей.

Совсем другая ситуация в Европе.  Цена газа в Европе в 2014 году в среднем в 6 раз больше, чем в России (см ссылку)

В результате затраты на газ в Европе составили бы от 150 т.р. в год до 360 т.р. в год. Понятно, что при таких затратах задумаешься о внедрении энергоэффетивных технологий. Увеличение эффективности дома в два раза дают выигрыш в диапазоне 75-180 т.р. в год. Умножаем на 12 лет получаем 900 т.р - 2160 т.р. Это деньги, за которые действительно можно увеличить энергоэффективность дома в два раза.

Отсюда в Европе все идеи пассивных домов, толстого утепления стен, рекуперации энергии.
При низких ценах на газ в России (несмотря на их рост) все эти идеи энергоэффективности экономически не очень оправданы.

Затраты на магистральный газ в доме

При попытке рассчитать затраты на газ в доме сразу возникает вопрос сколько энергии образуется при сжигании 1м3 газа. Первая цифра, на которую наталкиваешься в интернете и на которой основаны многие расчеты -10 кВт/м3. При более пристальном рассмотрении оказывается, что даже теоретический газ бывает разный и что его теплотворная способность отличается (например на 16%). А уж практически так и того хуже, чуть ли не в два раза.

В общем я задумался можно ли брать в расчетах затрат на газ цифру 10кВт/м3. Заставили меня задуматься два "практических" сигнала.

Первый сигнал. По этой ссылке описывается реальный эксперимент по нагреву бойлера с помощью газового котла и электричества на одну и ту же температуру. В результате эксперимента оказалось, что при сжигании 1м3 газа удолось сообщить воде только 5 кВт. Эта цифра характеризует как реальную теплотворную способность газа, КПД котла, потери тепла бойлером и трактом. На нам то какая разница из чего состоит эта цифра - факт, что эти 5кВт в текущий момент будут стоить 4,6 рубля (в Московской области).

Второй сигнал. В книге Кокорина Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования теплотворная способность для выполнения оценок затрат на газ берется 5кВт/м3 и КПД котла 0,7 кВт. Либо это делается намеренно для выпячивания преимуществ энергоэффетивных технологий за счет занижения преимуществ конкурирующих. Либо это реальные цифры практика.

Кроме того, газ в каждом газопроводе разный, соответственно и теплотворная способность у него разная.  По следующей ссылке доступе документ, в котором перечислены газопроводы и состав газа в них. Например, в Москву приходят три газапровода
- Саратов-Москва указано 34,16 Мдж/м3 (8160 ккал или 9,48кВт) и содержание метана 78,2 %
- Ставрополь-Москва 1я и 2я ветка 36.09 (8620 или 10,025 кВт) и 36.55 (8730 или 10,1527 кВт) и содержание метана 93,8 и 92,8 %

В инструкциях для европейских газовых котлов указываются расходы для двух типов газа LL и E. Эти типы газа отличаются количественным составом метана.
100% Natural gas E = 93% CH4 + 4,9% CnHm + 1,1% N2 + 1% CO2
100% Natural gas LL = 81,8% CH4 + 3,4% CnHm + 14% N2 + 0,8% CO2
Получается, что в газопроводе из Саратова у нас газ ближе к типу LL, а в ветке из Ставрополя газ ближе к типу E. Для выработки 1кВт расход газа E меньше, чем LL в 1,1638. Как я понимаю, оба типа газа при продаже населению идут по одной и той же цене.

Если для европейского котла написано (см например и брошюру для котла Viessmann Vitidens 200-W), что при 100% нагрузке и мощности 23,7 Вт он сжигает 2,61 м3 газа E или 3,04 м3 газа LL, то это означает, что из 1м3 газа он способен извлечь 23,7/2,61= 9,08 кВт/м3 или 7,796 кВт/м3. Это цифры уже с учетом КПД котла.

В статье дается ссылка на ГОСТ 5542-87 (Газоснабжение СНиП 2.04.08-87), который регламентирует качество газа. По этому ГОСТ минимальное значение теплотворной способности должно быть не ниже 7600 ккал/м3 (31,9 МДж), реально же поставляемый природный газ имеет теплотворную способность 8100-8170 ккал/м3. Также в статье говорится, что данный ГОСТ гармонизирован со стандартами стран Евросоюза. Поэтому нельзя сказать, что в Европе и России газ принципиально разный.

Рассчитывая затраты на газ можно взять лучший и худший сценарий. Если взять КПД 90% и 9,4 кВт/м3 то затраты на газ на наш дом (примерно 150 м2) при утеплении по СНиП получаются 25 т.р. в год, что . А если взять по Кокорину реальное КПД котла 70% и теплотворную способность газа 5кВт/м3 затраты получаются 60 т.р. в год. Вторая цифра примерно равна затратам при использовании ночного тарифа на электричество.

Также существует мнение, что газ в России бодяжится. Но как учесть этот момент я пока не знаю. Может быть этот момент и отражают низки оценки Кокорина.

КПД газового котла - основные факторы

КПД, которое приводится для котлов в маркетинговых брошюрах - это максимально достижимое КПД при оптимальном режиме работы котла. Часто - это режим с максимальной нагрузкой, в котором котел трудится очень малую часть года. Счета на отопление и ГВС сильно зависят от КПД котла в межсезонье.

Какое будет КПД в реальности зависит от следующих основных факторов:
- типа котла: конденсационный или простой
- тип горелки: атмосферная, наддувная
- режима работы для обеспечения меньшей мощности: включение/выключение, двухступенчатая горелка, модулирование пламени
- температуры обратки

Котлы с наддувной горелкой мне кажется должны давать больший КПД.
Но такой котел занимает больше места и шумит. При установке в доме необходимо принимать серьезные меры по звукоизоляции. Либо устанавливать его в отдельной котельной.

На КПД газового котла очень сильно влияет режим его работы, что определяется текущей потребляемой мощностью отопительной системы. Зимой в морозы и в межсезонье потребности дома в тепле разные. Существует несколько способов регулировки котла для обеспечения меньшей мощности: включение/выключение котла, применение двухтактной (или N-тактной) горелки (или как вариант нескольких небольших котлов), модулирование пламени. Для котлов с включением/выключением и двухтактной горелки при неполной загрузке эффективность снижается. Для модуляционных котлов (о чудо!) она наоборот растет.

Диапазон модуляции горелки может быть самый разный. Например, котел с модуляционной горелкой Viessmannn Vitodens 300-W может снижать мощность до 20%.

Более дательный удалось найти вот такой график. На нем видно как себя качественно ведет КПД  для котлов с разными горелками: армосферной, наддувной, модуляционной. Это более пессимистичный график, на нем максимальные КПД котлов находятся в диапазоне 80-90%.
Видно, что для котла с атмосферной горелкой КПД существенно падает при малых нагрузках - аж до 55% при нагрузке в 20%.

Еще один способ повлиять на эффективность работы котла - это использование в системе отопления с газовым котлом теплоаккамулятора. Идея та же, что и с твердотопливным котлом. Обычный газовый котел, работая в режиме полной мощности, нагревает воду в тепло аккамуляторе и отключается. Благодаря теплоаккамулятору количество включений/выключений будет минимизировано, а значит повыситься и КПД котла.

Новые конденсационные котлы позволяют повысить КПД аж до 95-98%.  Но тут нужно уточнить, что максимально достижимый КПД зависит от свойств системы отопления, а именно от температуры обратки. КПД конденсационных котлов в 98% достигается только при малых темпаратурах обратки. Для достижения этого КПД необходимо использовать либо полностью низкотемпературную систему отопления (теплые полы), либо при проектировании системы отопления увеличивать разницу температуры между подаваемым и возвращаемым теплоносителем.

Подтверждение этим графикам можно увидеть и в заявляемых характеристиках котлов, например см. вкладку Характеристики для Котла Buderus Logomax Plus GB072
Видно, что КПД для режима работы 80/60 меньше, чем для режима 50/30 на 8%.
Отсюда вывод - применение конденсационных котлов оправдано в низкотемпературной системе отопления.

Итак, для повышения КПД газового котла способствуют следующие меры
- использование конденсационного котла совместно с низкотемпературной системой отопления
- использование конденсационного котла с увеличением разности температур в высокотемпературной системе (например до 40 градусов возможно ли?)
- использование наддувной горелки с хорошей звукоизоляцией котла от жилых помещений
- использование горелки с модулированием пламени (типично в диапазоне 20-100%)
- использование в системе отопления с одно и двух ступенчатой горелкой теплоаккамулятора