Всё что надо знать о строительной физике или ликбез для самостройщика

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

А если еще посчитать начальную задачу: сколько и до какой температуры будет остывать отапливаемый объем при прекращении отопления для варианта подключения к грунтовому теплонакопителю ?
Например если в середине зимы хозяину надо срочно убыть на пару недель и топить больше нет личного состава.

 

Большое спасибо ТС за:

- полезную тему, помогающую переосмысливать концепцию дома (и, наверное, не мне одному);
- прекрасный язык изложения;
- образцово-показательно-корректное отношение к участникам форума.

Я думаю, что эта тема и правда - станет одной из жемчужин данного форума.

 

Предлагаю закончить обсуждение использования тепла земли под постройкой т. к одних расчётов для этого мало. Необходимо заставить грунт отдать тепло в необходимом количестве, а это уже более сложная задача. Жить без утепления пола уже при + 5 на улице не комфортно. Отапливать грунтом не отапливаемое здание не реально. Тему начал читать через 15 минут после создания и свои 5 копеек не раз хотел вставить, но продержался до 8 страницы
Давайте поменьше флуда, а то самое интересное как всегда окажется на дне океана пустых постов.

 

Позвольте не согласиться. Тепло земли можно использовать для поддержания плюсовой температуры. У меня сортир и почти вся СО размещена в цоколе и ничего не размораживается. Котел и ТА на 3 тонны заполнены водой. Лучше греть сортир, когда вы дома, а не когда вас нет .

 

У коллеги пол дома. Он использует как дачу и зимой не топит, сосед живёт постоянно. В половине коллеги температура не опускается ниже +5.кроме веранды которая от соседа наиболее удалена.

Надеюсь не я Вам настроение испортил У меня в старом дачном доме под половой доской ветер гуляет. Весной осенью в зимних ботинках ноги мёрзнут. Зимой изредка приезжаю, натоплю до +18 а пол инеем покрывается. Да, осенью в нетопленом доме всегда теплее чем на улице, но топить всё равно приходится до температуры выше температуры земли. Ограничивать не смею никого, более того, если есть мысль как заарканить и притащить тепло природного аккумулятора с удовольствием прочитаю и возможно воспользуюсь советом. Воздушный геотеплообменник не предлагать, есть такая тема.

 

Если у вас под полом ветер гуляет, то использование тепла земли вам не актуально. Начните с утепления дома, а потом уже делайте выводы .

 

О! Вот мы и пришли к утеплению.
al185,Почистите плиз тему, или перенаправьте просьбу если это не Ваша грядка.

 

Alexryb1, спасибо за тёплые слова. Sergey_SLS, потрясён силой Вашего духа - продержаться до 8-ой страницы это да! Надеюсь не обидитесь на моё подтрунивание. А если серьёзно - то я Вам благодарен - очень иногда хочется пофлудить и чо нить "умное" ляпнуть - сам тоже не всегда сдерживаюсь, но надо держать себя в руках.

А вот что касается Вашего заявления

То тут Вы немного не поняли о чём мы пытались сказать. Ни я, ни AndreyNS, ни yeti, не помышляем отапливать здание грунтом - я вон даже для rOm21 целый расчёт провёл из которого сделал глубокомысленный вывод, что надо ему от грунта теплоизолироваться. Мы говорим о том, что в некоторых случаях грунт можно использовать для поддержания в некоторых помещениях (цокольный этаж или санузел в центре первого этажа) положительной температуры без дополнительного обогрева в отсутствие хозяев. Это очень полезная на мой взгляд фишка и народ должен знать, что у него есть такая возможность. Ценой этой фишки являются некоторые дополнительные теплопотери в этот самый грунт когда хозяева таки навещают свой домик и тут уж каждый для себя должен решить что ему ценнее - потратиться на утепление и потом немного экономить на отоплении или сэкономить на утеплении, получить доп. расходы на отопление и гарантию незамерзающего унитаза.

al185, я честно говоря не понял с чем Вы спорите - все мои рассуждения и расчёты приводят нас ровно к тому же выводу - чем больше пенопласта - тем меньше теплопотери. Появляются, конечно, нюансы, но мы их и обсуждаем, чтобы народ не гадал и не вёлся за рекламой, а как Вы сказали - "принимал решение".

А почистить Sergey_SLS, предлагал посты типа моего №105, Вашего типа №115 и его собственного типа №108 в которых про строительную физику ни слова, а только трёп, который на данном этапе нам полезен, но через некоторое время, по мнению Sergey_SLS, может стать вредным. Sergey_SLS, я правильно Вас понял?

 

Ладно, вернёмся к нашим баранам и обсудим

Различные виды систем отопления

Собственно системы отопления делятся с точки зрения физика на те, которые

• Греют воздух
• Греют конструктив здания
• Греют людей

Естественно, не бывает отопительных приборов относящихся к одной из этих категорий на 100%. Кроме того в конечном итоге все отопительные приборы греют и людей и конструктив и воздух. Речь тут лишь о том что из этого греется отопительным прибором непосредственно и в наибольшей степени. Вот, например наиболее популярная в городских квартирах система отопления на трубах и радиаторах ~70% тепла отдаёт воздуху, ~25% излучает на людей, а 5% отдаёт стенам через стояки и проходы. Поэтому такую систему отопления мы отнесём к воздушным. С них и начнём.

К воздушным относятся системы, использующие: конвекторы, радиаторы, тепловые пушки, печи a'la булерьян, принудительные системы воздушного отопления, кондиционеры с нагревом и т. п.
Особенностями таких систем являются:

• низкая инерционность, высокая скорость управления температурным режимом;
• создание потоков воздуха как вертикальных, так и горизонтальных;
• возможность работы только в замкнутых помещениях;
• нагрев воздуха выше минимально необходимого уровня комфортности.

Как мы уже обсуждали выше, человеку для комфорта нужна не высокая температура, а баланс теплообмена с окружающей средой - человек в покое должен терять порядка 100Вт энергии. Теряет больше - мёрзнет, меньше - потеет. Причём очень желательно, чтобы теплообмен этот был равномерным со всех сторон и поверхностей - если к пузу приложить грелку, а спиной лечь на льдину, то здоровья надолго не хватит. Как же с этой задачей справляются воздухогрейные отопительные приборы? В целом очень неплохо - не зря они столь популярны.

Человек в нормальных условиях обменивается энергией с окружающей средой путём излучения и путём конвекции (за счёт обтекания воздуха). Третий теоретически возможный способ - непосредственный теплообмен в быту почти не встречается - редко когда мы прижимаемся спиной к тёплым печкам или холодным стенам - максимум контакта это голые пятки, поэтому этот способ энергообмена мы рассматривать не будем. Путём излучения, согласно формуле Стефана-Больцмана человек теряет мощность Pизл=S*b*Т4=2*(5.67*10^-8)*305^4=980Вт. Выделяет в покое за счёт метаболизма, как мы уже считали 100Вт. Стало быть должен получать из окружающей среды 880Вт энергии. Основную долю недостающей энергии человек получает от излучения окружающих предметов - даже при 0С эта энергия имеет мощность P=2*(5.67*10^-8)*273^4=630Вт - вот уже нехватка составила всего 250Вт. Ровно столько энергии голенькому человеку нужно добрать за счет конвекции тёплого воздуха если мы хотим обеспечить тепловой комфорт в промёрзшем помещении (с холодными стенами и полом). Понятно, что если температура воздуха ниже нормальной температуры кожи (32С), то конвекция будет забирать энергию вместо ее подачи, поэтому приехав зимой на дачу мы вынуждены поначалу нагревать воздух градусов до 40С.

Воздух имеет очень низкую теплоёмкость - кубометр воздуха имеет такую же теплоёмкость, как стакан воды (250мл). Благодаря этому его можно быстро нагревать приборами невысокой мощности и это является несомненным плюсом воздухогрейных систем. Однако с другой стороны, быстро нагреваясь от источников тепла воздух также быстро и остывает, соприкасаясь с холодными предметами. Холодный воздух тяжелее тёплого (при 0С и +20С разница составляет 7.5%), поэтому остывший воздух опускается к полу, а тёплый воздух от отопителей стремится под потолок. И чем большая разница в температуре воздуха и конструкций помещения, тем больший градиент температур между полом и потолком и тем сильнее конвективные потоки. Некоторые отопительные приборы борются с этим градиентом путём принудительной вентиляции (тепловые пушки, кондиционеры, тепловентиляторы и т. п.), но этот трюк работает лишь до тех пор, пока температура потока тёплого воздуха выше 32С - ниже этой температуры воздух начинает отбирать энергию у человека и тем интенсивнее, чем сильнее поток. Сидеть же под струёй горячего воздуха приятно лишь недолгое время.

Короче, если стены холодные, то воздух нужно нагревать до очень высоких температур (зато можно сделать это быстро!). А горячий воздух медленно, но верно нагревает стены. Как только температура стен повышается температуру воздуха нужно понижать, поскольку величина излучения от стен в энергетическом балансе человека растёт. При +20С человек получает от стен уже P=2*(5.67*10^-8)*293^4=850Вт и для баланса ему не хватает каких то жалких 30Вт, что обычно с лихвой компенсируется лёгкой домашней одеждой. И тут мы подходим к самому интересному - если температура воздуха ниже +32С, то он человека остужает (!), а если выше +20С, то нагревает стены! То есть при нормальной комнатной температуре воздух нагревает не человека, а стены, а человека, напротив - остужает. О как! Поэтому при использовании воздушных отопителей воздух всегда перегрет. Следовательно у потолка всегда будет переизбыток тёплого воздуха. Стало быть всегда будет повышенное движение воздуха - либо конвективное, либо принудительное. Кроме того воздух всегда будет пересушен (про влажностный режим чуть позже - пока поверьте). Это свойства воздушного способа отопления и оно присуще любым описанным выше приборам - избавиться от этих особенностей можно лишь изменив принцип отопления с воздушного, на какой либо другой.

Если же сравнивать между собой разные типы воздухонагревателей, то ориентироваться надо скорее на Ваши личные условия - нет магистрального газа и электричества - ставим булерьян, временное отопление строительного контура - газовая тепловая пушка, дачный домик в межсезонье - электрические конвекторы и т. п. Качество обогрева у любых таких приборов примерно одинаковое. Особняком стоят лишь кондиционеры с нагревом и прочие принудительные системы - они создают движение воздуха не за счёт естественных ахимедовых сил (холодный воздух тонет в тёплом), а за счёт электровентиляторов - это с одной стороны улучшает распределение теплого воздуха по вертикали за счёт перемешивания, но с другой стороны приводит к дискомфорту и вынуждает повышать среднюю температуру в помещении, поскольку, напоминаю - воздух комнатной температуры человека охлаждает, и тем быстрее, чем сильнее дует ветер.

Исходя из того, что мы только что узнали напрашивается вывод - греть конструктив не посредством воздуха, а непосредственно. Именно этим занимаются системы отопления типа "тёплый пол", замурованные в стены радиаторы и плёночные электронагреватели, спрятанные под ковёр или штукатурку. Они имеют следующие особенности:

• Высокая инерционность;
• Минимальные конвекционные потоки (особенно в наиболее заметном для человека горизонтальном направлении)
• Нагрев воздуха до минимально необходимого уровня
• Эффективная работа только в закрытых помещениях

Системы непосредственного нагрева в противоположность воздушным системам всегда перегревают конструктив и недогревают воздух. Обычно людьми это воспринимается как более комфортный микроклимат. Влажность воздуха также ближе к оптимальной. Распределение температуры воздуха по высоте помещения в разы равномернее, чем в системах воздушного отопления. Меньшая средняя температура воздуха обеспечивает меньшие теплопотери здания как через ограждающие конструкции, так и через систему вентиляции.

Минусами систем непосредственного нагрева является невозможность залпового прогрева - зимними наездами придётся долго ждать нагрева помещения. Кроме того, при расположении нагревательных элементов в толще ограждающик конструкций (пол нижнего этажа, внешние стены) эти элементы нагреваются выше средней температуры здания, а следовательно при том же утеплении отдают улице больше энергии. Ну и еще, пожалуй один минус - если подвижный тёплый воздух воздушных систем проникает везде и всюду и нагревает все конструктивные элементы одинаково, то в системах непосредственного нагрева могут быть проблемы с неравномерностью нагрева различных частей помещения - воздух, конечно нагревается и помогает переносить тепло и в этом случае, но как мы уже отмечали - температура воздуха и его подвижность ниже, поэтому и градиент температур по горизонтали получается выше, чем у воздушных систем. То бишь вероятность образования холодных углов выше. Ну и сюда же добавим отсутствие привычного горожанам конвекционного теплового завеса около окон, обеспечиваемого конвекторами и радиаторами (правда этот минус есть и у большинства воздушных систем).

В целом, для постоянного проживания системы непосредственного нагрева более удобны - инерционность играет даже в плюс, а комфортность микроклимата выше, чем у воздушных отопителей. Устройство тёплых полов на втором этаже (и на первом при наличии цоколя) не приводит к перегреву ограждающих конструкций и даёт прямую и вполне заметную экономию энергии при обогреве здания по сравнению с воздушными системами за счёт понижения комфортной температуры воздуха.

Ну и наконец выясним, что это за чудо-приборы, которые греют непосредственно людей. Тут я имел в виду, конечно же не жилетки с подогревом, а так называемые инфракрасные (ИК) обогреватели. Мы то с вами знаем, что инфракрасным обогревателем является любой предмет, нагретый выше абсолютного нуля температуры, но средний обыватель об этом и не догадывается. Отсюда и такой странный термин. По принципу действия они бывают электрическими, водяными (только низкотемпературные), газовыми (обычно уличные установки) или твёрдотопливными (обычные печки - и кирпичные и буржуйки являются яркими представителями ИК обогревателей). Основными особенностями приборов лучистого обогрева являются

• Низкая инерционность
• Минимальные конвекционные потоки
• Минимально возможный нагрев воздуха
• Способность работать на открытых пространствах

Принцип работы ИК обогревателей очевиден тем, кто прочитал мою пляжную сагу - рядом с человеком появляется некоторый объект, который излучает энергию, часть которой попадает на человека и участвует в его энергетическом балансе. Совершенно очевидно также, что идеальным ИК обогревателем являлись бы обои в совокупности с напольными плёнками, которые нагревались бы до +20С и моментально создавали бы вокруг человека комфортную температурную среду не тратя энергию на прогрев массива здания и не перегревая воздух. Думаю, что дело не за горами - вон уже чо напридумывали - светодиодные обои. Но пока возможности нагреть всё окружающее человека пространство до +20С нету, то приходится нагревать часть этого пространства, но до более высоких температур. Тут то и таятся проблемы лучистых обогревателей.

Казалось бы чего проще - повесил в середине комнаты обогреватель аки солнышко - и включай его себе когда надо. Но во-первых для того чтобы с небольшой площади излучить энергии, достаточной для обогрева людей на расстоянии хотя бы 5 метров надо нагреть эту площадь до очень высокой температуры (несколько тысяч градусов). А плотность лучистой энергии от точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния от него, до объекта нагрева. Поэтому если мы рассчитаем точечный ИК обогреватель на нагрев ног в дальнем углу комнаты (5 метров), то голова человека, стоящего в центре может в буквальном смысле поджариться - расстояние до источника 50см в 10 раз меньше, стало быть получаемая мощность в 100 раз выше.

А во-вторых волшебные тепловые лучи распространяются только по прямой и не проходят ни через какие преграды (даже через стекло). Т. е. проблемами являются столы, под которыми мёрзнут ноги и диваны в углах внешних стен, которые отсыревают и промерзают. Так что, одним маленьким, но высокотемпературным ИК обогревателем даже достаточной мощности делу не поможешь. Поэтому высокотемпературные обогреватели с температурой нагрева выше +300С (они представляют собой стеклянный цилиндр с отражателем и по сути являются большущей лампой накаливания) применяются не в одиночку, а несколькими лампами сразу и вешаются равномерно и повыше (более 3-х метров), чтобы снизить разницу нагрева между головой и ногами. Короче это не для дома - ими хорошо обогревать спортзалы, цеха и вокзалы.

Остаются низкотемпературные - с температурой нагрева рабочей поверхности до +250С и относительно большой площади. Формула Стефана-Больцмана нам подсказывает, что при 250С (распространённые электрические потолочные ИК обогреватели) с каждого квадратного метра такого обогревателя мы получим 4,2КВт тепла, а при +90С (дровяные кирпичные печки) с 1м2 получим 980Вт тепла.

Лучистые отопительные приборы наиболее экономичны, т. к не перегревают ни воздух ни внутренности стен и полов дома. И конструктив дома и воздух нагреваются вторичным эффектом - от облучаемых поверхностей. Для комфортного использования необходимо правильно располагать ИК обогреватели, и это тем более важно, чем горячее используется нагревательная поверхность. Гораздо лучше иметь 4 маленьких нагревателя по углам комнаты, чем один большой в середине. Ну и, конечно лучистые приборы это единственный вариант для обогрева открытых помещений - барбекюшница в беседке или газовый факел на открытой веранде позволяют комфортно проводить время на улице до глубокой осени.

PS: Чего то я сегодня написал как то много букв, а формул и цифр было недостаточно. Надо исправить этот недочёт - я чуть выше голословно утверждал, что от ИК излучателей и тёплых полов есть экономия из-за снижения комфортной температуры воздуха, но от тёплых полов есть и убытки от большего теплообмена с улицей, если трубы вмонтированы в пол первого этажа дома без цоколя. Давайте посчитаем.

Итак, сначала посчитаем экономию. При воздушном отоплении температура воздуха теплее температуры стен в среднем по отопительному сезону примерно на 2 градуса (по СНИПам). Кроме того, температурный градиент от пола к потолку при воздушном отоплении составляет примерно 1 градус на метр, то бишь для нашего дома - 3 градуса. При использовании систем непосредственного или лучистого нагрева температура стен (полов) выше температуры воздуха примерно на 1 градус, а вертикальный градиент температур примерно в 0.3 градуса на метр, то есть на весь наш дом - чуть менее 1 градуса. Стало быть мы имеем (при том же тепловом комфорте внутри помещения) среднюю температуру внутренних поверхностей ограждающих конструкций ниже на (3С-1С)/2=1С - из-за вертикального градиента, а среднюю температуру воздуха ниже еще на 2 градуса, то есть на 3С. При забортной температуре в -20С это даёт нам экономию тепла через ограждения на 1/40, то есть на 2,5% или в абсолютных цифрах (вспоминая нашу табличку мощности теплопотерь) 97Вт. Экономия же тепла через вентиляцию будет в процентном отношении 3/40 или 7,5% и в абсолютных цифрах 105Вт. Итого 202 ватта или чуть более 3%.

Совсем немного. Но если посчитать экономию не в экстремальные холода, а в течении всего отопительного периода, то цифры будут немного другими. Для Москвы средняя длительность отопительного периода 213 суток и средняя температура воздуха за отопительный период -3.6С. Поэтому разница внутренней и забортной температур будет не 40С, а 23.6С. Отсюда в среднем экономия через ограждения будет 4,2% (всё те же 97Вт), а на вентиляцию 105 ватт дадут уже 12,7% экономии. Общая экономия на обогрев дома будет чуть более 5%. Уже лучше, но это отнюдь не те "до 30 процентов" о которых бывает заявляют продавцы ИК панелей и тёплых полов.

Теперь посчитаем потери от тёплого пола, если бы наш домик 10х10м из газобетона на ростверковом фундаменте решили бы обогреть не печкой (или потолочными ИК панелями), а тёплым полом. Мы бы покрыли примерно половину площади дома трубами с тёплой водой, заделанными в бетон. И пропускалои бы по этим трубам воду такой температуры, чтобы внутрь дома проникло (опять смотрим на нашу табличку) 6685Вт тепла. То есть с одного м2 надо отдать 6685/50=133Вт. Смотрим на табличку от производителей тёплых полов:


Видим, что для обеспечения такой теплоотдачи нам надо при наиболее плотной укладке труб и каменных полах иметь температуру воды в трубах на уровне чуть больше 40С (при этом температура пола будет больше 31С). Таким образом, на половине площади пола мы увеличим температурный перепад с окружающим воздухом с 20+20=40С до 40+20=60С, то бишь в полтора раза. Или среднюю разницу температур пола и улицы - на 25%. Следовательно потери тепла через пол увеличатся на эти самые 25% или на 890*0.25=222Вт. Заметим, что эти потери превысили те 202Вт, которые мы сэкономили за счёт понижения температуры воздуха. Напомню также, что полы нашего домика утеплены пенополистиролом толщиной в 200мм, т. е. проходят по рекомендациям монтажников тёплых полов.

Резюме из всех этих рассуждений и расчетов мне видится такое - все системы отопления хороши - выбирай на вкус. У каждой есть достоинства и недостатки. Ни одна не даёт сколь нибудь заметной экономии по отношению к другой. Выбирать систему отопления надо исходя из теплоёмкости и режима использования дома. Т. е. к примеру, тёплые полы я бы не рекомендовал дачникам в каменные дома - в процессе прогрева дома будете прыгать как петух на сковородке по своему горячему полу, а уши будут мёрзнуть . А конвективную систему отопления не рекомендовал бы в гараж или сени с неплотными дверями - туда лучше что нибудь инфракрасное засунуть. Вот как то так.

 

Это не так.
Есть известные системы отопления на основе тепловых насосов (ТН) и в случае электрического отопления они дают экономию в разы.
Кстати, я занимаюсь подобным проектом, почитать можно вот здесь:
https://www.forumhouse.ru/threads/134251/