Потеря тепла через откосы

Теплопотери дома – куда реально уходит тепло

Перед тем, как начать строить дом, нужно купить проект дома – так говорят архитекторы. Надо купить услуги профессионалов – так говорят строители. Необходимо купить качественные строительные материалы – так говорят продавцы и производители стройматериалов и утеплителей.

И вы знаете, в чем-то они все немножечко правы. Однако никто кроме вас не будет настолько заинтересован в вашем жилье, чтобы учесть все моменты и свести воедино все вопросы по его строительству.

Один из самых важных вопросов, которые стоит решить на этапе планирования строительства, это теплопотери дома. От расчета теплопотерь будут зависеть и проект дома, и его строительство и то, какие стройматериалы и утеплители вы будете закупать.

Не бывает домов с нулевыми теплопотерями. Для этого дом должен был бы плыть в вакууме со стенами в 100 метров высокоэффективного утеплителя. Мы живем не в вакууме, и вкладываться в 100 метров утеплителя не хотим. А значит, у нашего дома будут теплопотери. Пусть будут, лишь бы они были разумными.

Посмотрим, какие теплопотери можно считать разумными, и куда уходит тепло из дома в холодный период года.

Зачем делать расчет теплопотерь?

Когда же делают расчет потерь тепла в доме? Расчет теплопотерь обязателен при проектировании систем отопления, систем вентиляции, воздушных отопительных систем. Расчетные температуры берут из нормативных документов. Значение внешней температуры воздуха отвечает температуре наружного воздуха наиболее холодной пятидневки. Внутреннюю температуру берут или ту, которую желаете, или из норм, для жилых помещений это 20+-2°С.

Исходными данными для расчета служат: внешняя и внутренняя температура воздуха, конструкция стен, пола, перекрытий, назначение каждого помещения, географическая зона строительства. Все тепловые потери на прямую зависят от термического сопротивления ограждающих конструкций, чем оно больше, тем меньше теплопотери.

Для обеспечения комфортных условий пребывания людей в помещении нужно чтобы было правдивым уравнение теплового баланса

Qп+ Qо+ Qс+ Qк= Qср+ Qос+ Qпр+ Qлюд,

где Qп–теплопотери через пол, Qо–теплопотери через окна, Qс–теплопотери через стену, Qк- теплопотери через крышу, Qср–теплопоступления от солнечной радиации, Qос–теплопоступления от отопительных систем, Qпр–теплопоступления от приборов, Qлюд–теплопоступления от людей.

На практике же, уравнение упрощается и все утраты компенсирует система отопления, независимо водяная или воздушная.

Теплопоступления от солнечного излучения через остекленные проемы

Тепло солнечного излучения может значительно увеличивать теплопоступление в здание (например, в магазине с витринами). В помещение передается до 90% солнечного тепла, и лишь небольшая часть отражается стеклами. Наиболее интенсивно тепло излучения поступает летом, в ясную погоду.

Теплопоступление излучения учитывается в тепловом балансе здания только для летнего и переходного времени, когда наружная температура превышает +10 градусов.

Поступление тепла солнечного излучения зависит от следующих факторов:

• Рода и структуры материалов ограждения;
• Состояния поверхности (например, через грязное стекло пройдет меньше излучения);
• Угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность;
• Ориентации помещения по сторонам света (теплопоступления от радиации через окна, выходящие на север, вообще не учитываются).

За расчетную величину теплопоступлений от излучения принимается большая из двух величин:

1. тепло, поступающее через остекленную поверхность той из стен, которая наиболее выгодно расположена относительно поступления тепла или имеющей максимальную световую поверхность
2. 70% от тепла, поступающего через остекленные поверхности двух перпендикулярных стен помещения.

Если нужно уменьшить теплопоступления от солнечной радиации, рекомендуется принимать следующие меры:

• ориентировать помещения окнами на север
• делать минимальное количество световых проемов
• применять защиту от солнечных лучей: двойное остекление, побелку стекол, устройство штор, жалюзи и т.д.

При использовании комплексной защиты от солнца теплопоступления от излучения можно сократить практически вдвое, и мощность требуемой холодильной установки уменьшится на 10-15%.

Qт (кВт/час)=(100 Вт/м2 x S (м2) x K1 x K2 x K3 x K4 x K5 x K6 x K7)/1000

Данная формула расчета теплопотерь по укрупненным показателям, в основе которых лежат усредненные условия 100 Вт на 1кв метр. Где основными рассчетными показателями для расчета системы отопления являются следующие величины:

Qт— тепловая мощность предполагаемого отопителя на отработанном масле, кВт/час.

100 Вт/м2 — удельная величина тепловых потерь (65-80 ватт/м2). В нее входят утечки тепловой энергии путем ее поглощения оконами, стенами, потолком полом; утечки через вентиляцию и негерметичности помещения и другие утечки.

S — площадь помещения;

K1 — коэффициент теплопотерь окон:

• обычное остекление К1=1,27
• двойной стеклопакет К1=1,0
• тройной стеклопакет К1=0,85;

К2 — коэффициент теплопотерь стен:

• плохая теплоизоляция К2=1,27
• стена в 2 кирпича или утеплитель 150 мм толщиной К2=1,0
• хорошая теплоизоляция К2=0,854

К3 коэффициент соотношения площадей окон и пола:

• 10% К3=0,8
• 20% К3=0,9
• 30% К3=1,0
• 40% К3=1,1
• 50% К3=1,2;

K4 — коэффициент наружной температуры:

• -10oC K4=0,7
• -15oC K4=0,9
• -20oC K4=1,1
• -25oC K4=1,3
• -35oC K4=1,5;

K5 — число стен, выходящих наружу:

• одна — К5=1,1
• две К5=1,2
• три К5=1,3
• четыре К5=1,4;

К6 — тип помещения, которое находится над расчитываемым:

• холодный чердак К6=1,0
• теплый чердак К6=0,9
• отапливаемое помещение К6-0,8;

K7 — высота помещения:

• 2,5 м К7=1,0
• 3,0 м К7=1,05
• 3,5 м К7=1,1
• 4,0 м К7=1,15
• 4,5 м К7=1,2.

Упрощенный рассчет теплопотерь дома

Qт = ( V x ∆t x k )/860; ( кВт )

V — объем помещения ( куб.м )
∆t — дельта температур (уличной и в помещении)
k — коэффициент рассеивания

• k= 3,0-4,0 – без теплоизоляции. (Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа).
• k= 2,0-2,9 – небольшая теплоизоляция. (Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и крыши).
• k= 1,0-1,9 – средняя теплоизоляция. (Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, крыша со стандартной кровлей).
• k= 0,6-0,9 – высокая теплоизоляция. (Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое количество окон со сдвоенными рамами, толстое основание пола, крыша из высококачественного теплоизоляционного материала).

В данной формуле очень условно учитываются коэффициент рассеивания и не совсем понятно каким коэффициентами пользоваться. В классике редкое современное, выполненное из современных материалов с учетом действующих стандартов, помещение обладает ограждающими конструкциями с коэффициентом рассеивания более одного. Для более детального понимания методики расчёта предлагаем следующие более точные методики.

Рекомендуемый рассчет теплопотерь дома

Сразу же акцентирую ваше внимание на то, что ограждающие конструкции в основном не являются однородными по структуре, а обычно состоят из нескольких слоёв. Пример: стена из ракушника = штукатурка + ракушник + наружная отделка. В эту конструкцию могут входить и замкнутые воздушные прослойки (пример: полости внутри кирпичей или блоков). Вышеперечисленные материалы имеют отличающиеся друг от друга теплотехнические характеристики. Основной такой характеристикой для слоя конструкции является его сопротивление теплопередачи R.

q – это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности (измеряется обычно в Вт/м.кв.)

ΔT — разница между температурой внутри рассчитываемого помещения и наружной температурой воздуха (температура наиболее холодной пятидневки °C для климатического района в котором находится рассчитываемое здание).

В основном внутренняя температура в помещениях принимается:

• Жилые помещения 22С
• Нежилые 18С
• Зоны водных процедур 33С

Когда речь идёт о многослойной конструкции, то сопротивления слоёв конструкции складываются. Отдельно хочу акцентировать ваше внимание на расчётном коэффициенте теплопроводности материала слоя λ Вт/(м°С). Так как производители материалов чаще всего указывают его. Имея расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя конструкции мы легко можем получить сопротивление теплопередачи слоя:

δ — толщина слоя, м;

λ — расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя конструкции, с учетом условий эксплуатации ограждающих конструкций, Вт / (м2 оС).

Итак для расчёта тепловых потерь через ограждающие конструкции нам нужны:

1. Сопротивление теплопередачи конструкций (если конструкция многослойная то Σ R слоёв) R
2. Разница между температурой в расчётном помещении и на улице (температура наиболее холодной пятидневки °C. ). ΔT
3. Площади ограждений F (Отдельно стены, окна, двери, потолок, пол)
4. Ориентация здания по отношению к сторонам света.

Формула для расчёта теплопотерь ограждением выглядит так:

Qогр=(ΔT / Rогр)* Fогр * n *(1+∑b)

Qогр — тепло потери через ограждающие конструкции, Вт
Rогр – сопротивление теплопередаче, м.кв.°C/Вт; (Если несколько слоёв то ∑ Rогр слоёв)
Fогр – площадь ограждающей конструкции, м;
n – коэффициент соприкосновения ограждающей конструкции с наружным воздухом.

Тип ограждающей конструкции

Коэффициент n

1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухом), перекрытия чердачные (с кровлей из штучных материалов) и над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне

2. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов); перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне

3. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах

4. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли

5. Перекрытия над не отапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли

(1+∑b) – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь. Добавочные потери теплоты b через ограждающие конструкции следует принимать в долях от основных потерь:

а) в помещениях любого назначения через наружные вертикальные и наклонные (вертикальная проекция) стены, двери и окна, обращенные на север, восток, северо-восток и северо-запад — в размере 0,1, на юго-восток и запад — в размере 0,05; в угловых помещениях дополнительно — по 0,05 на каждую стену, дверь и окно, если одно из ограждений обращено на север, восток, северо-восток и северо-запад и 0,1 — в других случаях;

б) в помещениях, разрабатываемых для типового проектирования, через стены, двери и окна, обращенные на любую из сторон света, в размере 0,08 при одной наружной стене и 0,13 для угловых помещений (кроме жилых), а во всех жилых помещениях — 0,13;

в) через не обогреваемые полы первого этажа над холодными подпольями зданий в местностях с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 °С и ниже (параметры Б) — в размере 0,05,

г) через наружные двери, не оборудованные воздушными или воздушно-тепловыми завесами, при высоте зданий Н, м, от средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты в размере: 0,2 Н — для тройных дверей с двумя тамбурами между ними; 0,27 H — для двойных дверей с тамбурами между ними; 0,34 H — для двойных дверей без тамбура; 0,22 H — для одинарных дверей;

д) через наружные ворота, не оборудованные воздушными и воздушно-тепловыми завесами, — в размере 3 при отсутствии тамбура и в размере 1 — при наличии тамбура у ворот.

Для летних и запасных наружных дверей и ворот добавочные потери теплоты по подпунктам “г” и “д” не следует учитывать.

Отдельно возьмём такой элемент как пол на грунте или на лагах. Здесь есть особенности. Пол или стена, не содержащие в своем составе утепляющих слоев из материалов с коэффициентом теплопроводности λ меньше либо равно 1,2 Вт/(м °С), называются не утепленными. Сопротивление теплопередаче такого пола принято обозначать Rн.п, (м2 оС) / Вт. Для каждой зоны не утепленного пола предусмотрены нормативные значения сопротивления теплопередаче:

• зона I — RI = 2,1 (м2 оС) / Вт;
• зона II — RII = 4,3 (м2 оС) / Вт;
• зона III — RIII = 8,6 (м2 оС) / Вт;
• зона IV — RIV = 14,2 (м2 оС) / Вт;

Первые три зоны представляют собой полосы, расположенные параллельно периметру наружных стен. Остальную площадь относят к четвертой зоне. Ширина каждой зоны равна 2 м. Начало первой зоны находится в месте примыкания пола к наружной стене. Если неутеплёный пол примыкает к стене заглублённой в грунт то начало переносится к к верхней границе заглубления стены. Если в конструкции пола, расположенного на грунте, имеются утепляющие слои, его называют утепленным, а его сопротивление теплопередаче Rу.п, (м2 оС) / Вт, определяется по формуле:

Rу.п. = Rн.п. + Σ (γу.с. / λу.с)

Rн.п — сопротивление теплопередаче рассматриваемой зоны неутепленного пола, (м2 оС) / Вт;
γу.с — толщина утепляющего слоя, м;
λу.с — коэффициент теплопроводности материала утепляющего слоя, Вт/(м·°С).

Для пола на лагах сопротивление теплопередаче Rл, (м2 оС) / Вт, рассчитывается по формуле:

Теплопотери каждой ограждающей конструкции считаются отдельно. Величина теплопотерь через ограждающие конструкции всего помещения будет сумма теплопотерь через каждую ограждающую конструкцию помещения. Важно не напутать в измерениях. Если вместо (Вт) появится (кВт) или вообще (ккал) получите неверный результат. Ещё можно по невнимательности указать Кельвины (K) вместо градусов Цельсия (°C).

Продвинутый рассчет теплопотерь дома

Отопление в гражданских и жилых зданиях теплопотери помещений состоят из теплопотерь через различные ограждающие конструкции, такие как окна, стены, перекрытия, полы а также теплорасходов на нагревание воздуха, который инфильтрируется сквозь неплотности в защитных сооружениях (ограждающих конструкциях) даного помещения. В промышленных зданиях существуют и другие виды теплопотерь. Расчет теплопотерь помещения производится для всех ограждающих конструкций всех отапливаемых помещений. Могут не учитываться теплопотери через внутренние конструкции, при разности температуры в них с температурой соседних помещений до 3С. Теплопотери через ограждающие конструкции расчитываются по следующей формуле, Вт:

Qогр = F ( tвн – tнБ) (1 + Σ β ) n / Rо

tнБ – темп-ра наружного воздуха, оС;
tвн – темп-ра в помещении, оС;
F – площадь защитного сооружения, м2;
n – коэффициент, который учитывает положение ограждения или защитного сооружения (его наружной поверхности) относительно наружного воздуха;
β – теплопотери добавочные, доли от основных;
Rо – сопротивление теплопередаче, м2·оС / Вт, которое определяется по следующей формуле:

Rо = 1/ αв + Σ ( δі / λі ) + 1/ αн + Rв.п., где

αв – коэффициент тепловосприятия ограждения (его внутренней поверхности), Вт/ м2· о С;
λі и δі – расчетный коэффициент теплопроводности для материала данного слоя конструкции и толщина этого слоя;
αн – коэффициент теплоотдачи ограждения (его наружной поверхности), Вт/ м2· о С;
Rв.n – в случае наличия в конструкции замкнутой воздушной прослойки, ее термосопротивление, м2· о С / Вт (см. табл.2).
Коэф-ты αн и αв принимаются согласно СНиП а для некоторых случаев приведены в таблице 1;
δі – обычно назначается согласно заданию или определяется по чертежах ограждающих конструкций;
λі – принимается по справочникам.

Таблица 1. Коэффициенты тепловосприятия αв и теплоотдачи αн

Поверхность ограждающей конструкции

αв , Вт/ м2· о С

αн , Вт/ м2· о С

Поверхность внутренняя полов, стен, гладких потолков

Энергосберегающие стёкла

Для уменьшения теплоотдачи путем инфракрасного излучения разработаны энергосберегающие стекла. Часто их называют теплосберегающими, селективными, низкоэмиссионными. Это обозначает низкую теплопроводность, защиту от теплопотерь.

Тонированное стекло для окна

Качества достигаются тем, что для производства используются высококачественные листы, отливаемые в горизонтальные формы. По сравнению с вытягиваемыми из расплава вертикально, они более оптически чистые, однородные, прозрачные. После полировки лист помещают в камеру, где наносят тончайший слой оксида металла, полимерные соединения. По различию в нюансах изготовления, выделяют виды с «твердым», «мягким» покрытиями.

Ударопрочное стекло для окна

К — стекло (твёрдое покрытие)

Материал с твердым покрытием называют К—стекло. Разработано первым, более дорогое в производстве. Слой металла наносится во время отлива листа. Используют соединения олова. Преимущество материала — защита от теплопотерь, высокая механическая прочность, стойкость металлического включения к износу. Можно применять в однокамерных пакетах.

I—стекло (мягкое покрытие)

Отличается большей степенью снижения теплопотерь, дешевле. Минус — низкая прочность покрытия (соединения серебра, сложные органические полимеры). Материал используют в двухкамерных пакетах. Помещают в середину конструкции. I—стекло более распространено, чем его аналог — К—стекло.

Шумоизоляционное стекло для окна

Пример расчёта

Прежде чем перейти к демонстрационному примеру, ответим на последний вопрос: как правильно рассчитать интегральное термическое сопротивление сложных многослойных конструкций? Это, конечно, можно сделать вручную, благо, что в современном строительстве используется не так много типов несущих оснований и систем утепления. Однако учесть при этом наличие декоративной отделки, интерьерной и фасадной штукатурки, а также влияние всех переходных процессов и прочих факторов достаточно сложно, лучше воспользоваться автоматизированными вычислениями. Один из лучших сетевых ресурсов для таких задач — smartcalc.ru, который дополнительно составляет диаграмму смещения точки росы в зависимости от климатических условий.

Для примера возьмём произвольное здание, изучив описание которого читатель сможет судить о наборе исходных данных, необходимых для расчёта. Имеется одноэтажный дом правильной прямоугольной формы размерами 8,5х10 м и высотой потолков 3,1 м, расположенный в Ленинградской области. В доме выполнен неутеплённый пол по грунту досками на лагах с воздушным зазором, высота пола на 0,15 м превышает отметку планирования грунта на участке. Материал стен — шлаковый монолит толщиной 42 см с внутренней цементно-известковой штукатуркой толщиной до 30 мм и наружной шлаково-цементной штукатуркой типа «шуба» толщиной до 50 мм. Общая площадь остекления — 9,5 м 2 , в качестве окон использован двухкамерный стеклопакет в теплосберегающем профиле с усреднённым термическим сопротивлением 0,32 м 2 ·°С/Вт. Перекрытие выполнено на деревянных балках: снизу оштукатурено по дранке, заполнено доменным шлаком и сверху укрыто глиняной стяжкой, над перекрытием — чердак холодного типа. Задача расчёта теплопотерь — формирование системы теплозащиты стен.

Первым делом определяются тепловые потери через пол. Поскольку их доля в общем оттоке тепла наименьшая, а также по причине большого числа переменных (плотность и тип грунта, глубина промерзания, массивность фундамента и т. д.), расчёт теплопотерь проводится по упрощённой методике с использованием приведённого сопротивления теплопередаче. По периметру здания, начиная от линии контакта с поверхностью земли, описывается четыре зоны — опоясывающих полосы шириной по 2 метра. Для каждой из зон принимается собственное значение приведённого сопротивления теплопередаче. В нашем случае имеется три зоны площадью по 74, 26 и 1 м 2 . Пусть вас не смущает общая сумма площадей зон, которая больше площади здания на 16 м 2 , причина тому — двойной пересчёт пересекающихся полос первой зоны в углах, где теплопотери значительно выше по сравнению с участками вдоль стен. Применяя значения сопротивления теплопередаче в 2,1, 4,3 и 8,6 м 2 ·°С/Вт для зон с первой по третью, мы определяем тепловой поток через каждую зону: 1,23, 0,21 и 0,05 кВт соответственно.

Используя данные о местности, а также материалы и толщину слоёв, которыми образованы стены, на упомянутом выше сервисе smartcalc.ru нужно заполнить соответствующие поля. По результатам расчёта сопротивление теплопередаче оказывается равным 1,13 м 2 ·°С/Вт, а тепловой поток через стену — 18,48 Вт на каждом квадратном метре. При общей площади стен (за вычетом остекления) в 105,2 м 2 общие теплопотери через стены составляют 1,95 кВт/ч. При этом потери тепла через окна составят 1,05 кВт.

Перекрытие и кровля

Расчёт теплопотерь через чердачное перекрытие также можно выполнить в онлайн-калькуляторе, выбрав нужный тип ограждающих конструкций. В результате сопротивление перекрытия теплопередаче составляет 0,66 м 2 ·°С/Вт, а потери тепла — 31,6 Вт с квадратного метра, то есть 2,7 кВт со всей площади ограждающей конструкции.

Итого суммарные теплопотери согласно расчётам составляют 7,2 кВт·ч. При достаточно низком качестве строительных конструкций здания этот показатель очевидно сильно ниже реального. На самом деле такой расчёт идеализирован, в нём не учтены специальные коэффициенты, продуваемость, конвекционная составляющая теплообмена, потери через вентиляцию и входные двери. В действительности, из-за некачественной установки окон, отсутствия защиты на примыкании кровли к мауэрлату и плохой гидроизоляции стен от фундамента реальные теплопотери могут быть в 2 или даже 3 раза больше расчётных. Тем не менее, даже базовые теплотехнические исследования помогают определиться, будут ли конструкции строящегося дома соответствовать санитарным нормам хотя бы в первом приближении.

Теплопотери дома

Напоследок дадим одну важную рекомендацию: если вы действительно хотите получить полное представление о тепловой физике конкретного здания, необходимо использовать понимание описанных в этом обзоре принципов и специальную литературу. Например, очень хорошим подспорьем в этом деле может стать справочное пособие Елены Малявиной «Теплопотери здания», где весьма подробно объяснена специфика теплотехнических процессов, даны ссылки на необходимые нормативные документы, а также приведены примеры расчётов и вся необходимая справочная информация.

Теплопоступления от оборудования и техники

Тепловую энергию от работающего оборудования учитывают на основании показаний температуры от нагретых поверхностей (если значение можно замерить).

Поступление теплоты от стенок воздуховодов и другого подобного оборудования считают по формуле:

Q = K·S · (tср – t), где

• K – коэффициент теплопередачи системы;
• S – площадь поверхности, через которую осуществляется нагрев;
• tср – температура исследуемой среды;
• t – температура в помещении.

Расчёт тепла от нагретых поверхностей:

Q = A·S ·(tп — t), где

• A – коэффициент передачи тепловой энергии от исследуемой поверхности воздуху;
• S – площадь поверхности, через которую осуществляется нагрев;
• tп –температура исследуемой поверхности;
• t – температура в помещении.

После сбора всей необходимой информации приступают к расчётам поступающей тепловой энергии и теплопотерь. В зависимости от задач применяют упрощённые схемы вычислений или более точные методики, по которым подбираются характеристики систем вентиляции и климатического контроля.