Сопротивление теплопередачи стены каркасного дома
Обновлено: 16.05.2024
A.S. Gorshkov, Candidate of Engineering, Director of Educational and Scientific Center "Monitoring and Rehabilitation of Natural Systems" FGAOU VO "Saint Petersburg Polytechnic University of Peter the Great", A.G. Kernik, Head of Sales Technical Support Group at OOO "URSA Evrazia"
Keywords: individual dwelling, outside walls, wooden frame, facades, thermal insulation, additional winterizing, energy saving, energy efficiency, investments, payback
After calculation of (see Energy Conservation magazine No. 6, 2019.) the heat transfer resistance and heat transfer coefficient of outside walls for different thicknesses of thermal insulation for a standard Moscow region carcase house with total area of 150 m 2 , where 150?50 mm wooden beam is used as the bearing frame, we will move on to determination of the cost of its winterization and the4 optimal thickness of the thermal insulation layer that corresponds to the minimum period of payback of additional investments.
Рассчитав (См. журнал «Энергосбережение» № 6. 2019.) величину сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи наружных стен при различной толщине утеплителя для подмосковного типового каркасного дома площадью 150 м 2 , где в качестве несущего каркаса использован деревянный брус сечением 150x50 мм, перейдем к определению затрат на его утепление и оптимальной толщины слоя утеплителя, соответствующей минимальному сроку окупаемости дополнительных инвестиций.
Рассчитав величину сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи наружных стен при различной толщине утеплителя для подмосковного типового каркасного дома площадью 150 м 2 , где в качестве несущего каркаса использован деревянный брус сечением 150×50 мм, перейдем к определению затрат на его утепление и оптимальной толщины слоя утеплителя, соответствующей минимальному сроку окупаемости дополнительных инвестиций.
Расчет потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции
Средние за отопительный период потери тепловой энергии через стены дома Qст, Гкал, заданной толщины и заданного состава рассчитываются по формуле (1). Обозначим базовый вариант утепления (50 мм) стен индексом «баз», варианты с большей толщиной теплоизоляции – «ут». Тогда экономия тепловой энергии, достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен, может быть рассчитана на основании выражения (2).
Расчет эксплуатационных затрат
Разница эксплуатационных затрат, достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен в течение одного нормативного отопительного периода, может быть рассчитана по формуле (3). Размер платы за пользование природным газом на отопление жилых домов, расположенных на территории Московской области, Cст, составляет 5,14 руб./м 3 (распоряжение Комитета по ценам и тарифам Московской области от 10 июня 2016 года № 74-Р).
Результаты расчета эксплуатационных затрат графически представлены на рис. 1.
Расчет периода окупаемости
Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций, направленных на дополнительное утепление наружных стен, рассчитаем по формуле (4).
В отличие от формулы (5), используемой для расчета простой (бездисконтной) окупаемости, формула (4) позволяет учесть не только затраты на утепление и эксплуатационные расходы на отопление ΔK, но и показатели динамики роста тарифов на энергоносители r, а также дисконтирования будущих денежных потоков i, достигаемых за счет уменьшения эксплуатационных издержек.
Средняя величина относительного роста тарифов на тепловую энергию для населения России ΔCcт составляет примерно 12 % в год. Таким образом, среднегодовой рост тарифов на тепловую энергию в формуле (4) примем равным 0,12.
Мерой дисконтирования будущих денежных потоков можно выбрать средний уровень инфляции за определенный промежуток времени (например, за 5 или 10 последних лет), ставку рефинансирования Центрального банка, доходность альтернативных вложений (например, открытие вклада в банке на депозитный счет) и прочие факторы, влияющие на величину будущих денежных потоков.
Для данной конкретной модели в качестве меры дисконтирования примем величину ключевой ставки Центрального банка РФ, равную 10 %. С учетом этого значение показателя дисконтирования в формуле (4) примем равным 0,1.
Рассчитаем по формуле (4) прогнозируемый период окупаемости дополнительных затрат на утепление при различной толщине слоя теплоизоляции, то есть интервал времени, по истечении которого инвестиции в дополнительное утепление стен каркасного дома окупятся (по сравнению с базовым вариантом утепления: δут = 50 мм).
Результаты расчета представлены в таблице, из которой видно, что наиболее полно условию ТД = f(δут) → min удовлетворяет толщина теплоизоляции 150 мм: при ней дисконтированный срок окупаемости дополнительных инвестиций, направленных на утепление наружных стен рассматриваемого дома, оказывается минимальным (менее 5 лет).
Кроме этого, при толщине несущих стоек каркаса 150 мм и толщине утеплителя 150 мм обеспечивается плотное прилегание ветрозащитного слоя к утеплителю (см. рис. 2 в первой части статьи). В этом случае при прохождении воздуха в воздушной вентилируемой прослойке не будет наблюдаться провисания ветрозащитной мембраны.
Резкое увеличение срока окупаемости инвестиций при толщине слоя теплоизоляции 200 мм для заданного сечения каркаса (50×150 мм) обусловлено необходимостью устройства дополнительного контрбруса (сечением 50×50 мм) и размещения второго (наружного) слоя теплоизоляции толщиной 50 мм. Следует отметить, что при таком варианте утепления несущие стойки каркаса оказываются в зоне положительных температур, что увеличивает их эксплуатационную сохранность и долговечность. При однослойном утеплении стен каркасного дома различные участки сечения стоек оказываются под воздействием различных температур, что вызывает их неравномерную деформацию. При наличии средств для повышения надежности и долговечности несущих элементов деревянного каркаса дома рекомендуется производить утепление таким образом.
Подводя итог, можно утверждать следующее:
1. Одним из способов снижения потерь тепловой энергии на отопление является дополнительное утепление наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий, чердачных перекрытий, наружных дверей и пр.).
2. Чем меньше потери тепла, тем меньшее количество тепловой энергии требуется для компенсации потерь тепловой энергии (при обеспечении нормативных показателей микроклимата). Таким образом, утепление приводит к уменьшению потребляемой в доме энергии и, как следствие, к сокращению платежей за отопление.
3. Дополнительное утепление ограждающих конструкций дома требует дополнительных инвестиций (капитальных вложений).
4. Экономическую эффективность энергосберегающих мероприятий можно характеризовать прогнозируемым сроком их окупаемости.
5. Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций, направленных на утепление наружных стен рассматриваемого объекта исследования (жилого загородного каркасного дома), составляет от 4,9 до 8,3 лет в зависимости от толщины слоя теплоизоляции.
6. Минимальный прогнозируемый срок окупаемости инвестиций в утепление стен каркасного дома составляет 4,9 года и соответствует толщине слоя теплоизоляции, равной 150 мм.
Литература
- Горшков А. С. Инженерные системы. Руководство по проектированию, строительству и реконструкции зданий с низким потреблением энергии. СПб., 2013.
- Горшков А. С. Модель оценки прогнозируемого срока окупаемости инвестиций в энергосбережение // Вестник МГСУ. 2015. № 12. С. 136–146.
- Немова Д. В., Горшков А. С., Ватин Н. И., Кашабин А. В., Цейтин Д. Н., Рымкевич П. П. Технико-экономическое обоснование по утеплению наружных стен многоквартирного жилого здания с устройством вентилируемого фасада // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 11 (26). С. 70–84.
- Немова Д. В., Горшков А. С., Ватин Н. И., Кашабин А. В., Рымкевич П. П., Цейтин Д. Н. Технико-экономическое обоснование по утеплению ограждающих конструкций индивидуального жилого дома // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 8 (23). С. 93–115.
Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.
Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №7'2019
распечатать статью --> pdf версия
Обсудить на форуме
Предыдущая статья
Следующая статья
Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции — 60–90% от всех теплопотерь.
Расчет теплопотерь дома нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме. Вот пример расчёта для газового котла и электрического. Также можно благодаря расчётам провести анализ финансовой эффективности утепления, т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя.
Приведу пример расчета для внешних стен двухэтажного дома.
0,5 м / 0,16 Вт/(м×°C) = 3,125 м 2 ×°C/Вт
0,32 Вт / м 2 ×°C × 240 м 2 × 40 °C = 3072 Вт
3072 Вт × 1 ч = 3,072 кВт×ч
За 24 часа уходит энергии:
Например, за 7 месяцев отопительного периода средняя разница температур в помещении и на улице была 28 градусов, значит теплопотери через стены за эти 7 месяцев в киловатт-часах:
0,32 Вт / м 2 ×°C × 240 м 2 × 28 °C × 7 мес × 30 дней × 24 ч = 10838016 Вт×ч = 10838 кВт×ч
Число вполне «осязаемое». Например, если бы отопление было электрическое, то можно посчитать сколько бы ушло денег на отопление, умножив полученное число на стоимость кВт×ч. Можно посчитать сколько ушло денег на отопление газом, вычислив стоимость кВт×ч энергии от газового котла. Для этого нужно знать стоимость газа, теплоту сгорания газа и КПД котла.
Кстати, в последнем вычислении вместо средней разницы температур, количества месяцев и дней (но не часов, часы оставляем), можно было использовать градусо-сутки отопительного периода — ГСОП, некоторая информация про ГСОП здесь. Можно найти уже посчитанные ГСОП для разных городов России и перемножать теплопотери с одного квадратного метра на площадь стен, на эти ГСОП и на 24 часа, получив теплопотери в кВт*ч.
Аналогично стенам нужно посчитать значения теплопотерь для окон, входной двери, крыши, фундамента. Потом всё просуммировать и получится значение теплопотерь через все ограждающие конструкции. Для окон, кстати, не нужно будет узнавать толщину и теплопроводность, обычно уже есть готовое посчитанное производителем сопротивление теплопередаче стеклопакета. Для пола (в случае плитного фундамента) разница температур не будет слишком большой, грунт под домом не такой холодный, как наружный воздух.
Примерный объем имеющегося воздуха в доме (объём внутренних стен и мебели не учитываю):
10 м х10 м х 7 м = 700 м 3
Плотность воздуха при температуре +20°C 1,2047 кг/м 3 . Удельная теплоемкость воздуха 1,005 кДж/(кг×°C). Масса воздуха в доме:
700 м 3 × 1,2047 кг/м 3 = 843,29 кг
Допустим, весь воздух в доме меняется 5 раз в день (это примерное число). При средней разнице внутренней и наружной температур 28 °C за весь отопительный период на подогрев поступающего холодного воздуха будет в среднем в день тратится тепловой энергии:
5 × 28 °C × 843,29 кг × 1,005 кДж/(кг×°C) = 118650,903 кДж
118650,903 кДж = 32,96 кВт×ч (1 кВт×ч = 3600 кДж)
Т.е. во время отопительного периода при пятикратном замещении воздуха дом через вентиляцию будет терять в среднем в день 32,96 кВт×ч тепловой энергии. За 7 месяцев отопительного периода потери энергии будут:
7 × 30 × 32,96 кВт×ч = 6921,6 кВт×ч
Допустим, что семья в доме потребляет 15 м 3 воды в месяц. Удельная теплоёмкость воды 4,183 кДж/(кг×°C). Плотность воды 1000 кг/м 3 . Допустим, что в среднем поступающая в дом вода нагревается до +30°C, т.е. разница температур 23°C.
Соответственно в месяц теплопотери через канализацию составят:
1000 кг/м 3 × 15 м 3 × 23°C × 4,183 кДж/(кг×°C) = 1443135 кДж
1443135 кДж = 400,87 кВт×ч
За 7 месяцев отопительного периода жильцы выливают в канализацию:
7 × 400,87 кВт×ч = 2806,09 кВт×ч
В конце нужно сложить полученные числа теплопотерь через ограждающие конструкции, вентиляцию и канализацию. Получится примерное общее число теплопотерь дома.
Надо сказать, что теплопотери через вентиляцию и канализацию довольно стабильные, их трудно уменьшить. Не будете же вы реже мыться под душем или плохо вентилировать дом. Хотя частично теплопотери через вентиляцию можно снизить с помощью рекуператора.
Если я где-то допустил ошибку, напишите в комментарии, но вроде всё перепроверил несколько раз. Надо сказать, что есть значительно более сложные методики расчета теплопотерь, там учитываются дополнительные коэффициенты, но их влияние незначительное.
Дополнение.
Расчет теплопотерь дома также можно сделать с помощью СП 50.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003). Там есть приложение Г «Расчет удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий», сам расчет будет значительно сложнее, там используется больше факторов и коэффициентов.
| Виктор (26.11.2015 05:20) Дмитрий, спасибо за статью! Но вот как пользоваться этими данными не совсем понятно, я дом уже построил, но хочу второй этаж перестроить вот и ломаю голову из какого материала и какую систему отопления использовать, ПВХ или сталь, сталь на первом этаже, но на втором склоняюсь больше к ПВХ - чтобы теплосъема с труб было меньше, а также котел какой установить, можете что-нибудь про это написать? |
| Дмитрий (11.01.2016 06:03) Дмитрий, здравствуйте, у меня возник вопрос по таблицам.Расчеты производятся по Цельсиям, а теплопроводность приводится и в Вт/м*К и в Вт/м*С(к примеру: пенополистилол до50кг/куб.м:в одной таблице Вт/м*К=0,040, в другой Вт/м*С=0,040(0,036-0,041).Как решить этот вопрос-все в кельвинах считать или? |
| Виктор (16.02.2016 09:42) Расчет по теплопотерям слишком упрощенный. Дает заниженные значения. Дочка (она теплотехник) давала алгоритм расчета тепловой нагрузки (упрощеный вариант, без учета инсоляции), куда входят как теплопотери, так и такие параметры как объем здания, коэффициент инфильтрации и еще ряд парамтеров. Для одного и того же здания и одних и тех же условий расчет по этому алгоритму дает тепловую нагрузку в 17.2кВт. В то время как расчет по суммарным теплопотерям - всего 10.5кВт. Разница существенная. Представленный теплотехнический расчет ограждающих конструкций зданий является оценочным и предназначен для предварительного выбора материалов и проектирования конструкций. При разработке проекта для проведения точного расчета необходимо обратиться в организацию, обладающую соответствующими полномочиями и разрешениями.
Добавьте ссылку на расчет в закладки: Или скопируйте ее в буфер обмена: Москва (Московская область, Россия)
Жилое помещение (Стена)Вариант "Ненормированное помещение" предназначен для эмуляции расчетов с климатическими параметрами помещений, выходящими за рамки гигиенических норм. Расчеты при выборе этого варианта не могут расцениваться, как соответсвующие нормам, а результаты, полученные при проведении этих расчетов, не могут быть основанием для принятия того или иного проектного решения.
Слои конструкции
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
