Теплозащита наружных ограждений

В холодное время года в помещении всегда бывает теплее чем, на улице. Чем лучше теплозащитные качества дома, тем уютнее человек чувствует себя в нём.

Знание основных климатических факторов и особенностей их влияния на эксплуатационные качества строительных материалов и конструкций позволят всем желающим спроектировать и построить дом своими силами, а также сделать его теплым, сухим и уютным.

Содержание

• Расчётная температура наружного воздуха
• Влажность наружного  воздуха
• Ветер
• Потери тепла с поверхности тела
• Влажность внутреннего воздуха
• Теплозащита стен
• Теплозащита окон
• Потолок
• Пол

Расчётная температура наружного воздуха

С древности человек строил жилье для защиты от непогоды. В зависимости от климата возводились здания с различными конструктивными и архитектурными решениями. В холодных регионах строились компактные дома с толстыми теплоизолированными стенами и маленькими окнами, в тёплых и влажных — павильонного типа для возможности сквозного проветривания, в сухих пустынных районах — с массивными стенами, позволявшими стабилизировать огромные суточные колебания температуры, а порой и заглублённые или подземные.

Все строительные конструкции, огораживающие и защищающие внутренние помещения от атмосферных воздействий: холода, дождя, снега, ветра и пр., называются ограждающими. К ним относятся: наружные стены, окна, двери, крыша.

Конструкции, воспринимающие нагрузку и обеспечивающие прочность здания, называются несущими. Это колонны, балки, перекрытия, стропила. Чтобы сделать дом тёплым, необходимо правильно выбрать материал, учитывая его теплозащитные свойства именно для ограждающих конструкций.

При строительстве тёплого дома в первую очередь надо учитывать особенности климата местности, в которой строится дом и в соответствии с этим выбирать форму дома и его планировку, строительные материалы, приемлемые конструкции и необходимую теплозащиту. При этом такие требования к дому, как — тепло, сухо и уютно — остаются в большинстве случаев решающими.

Многие стремятся построить дом оригинальной конструкции, забывая порой о том, что необычность архитектурного решения должна сочетаться с тепловым комфортом.

Какие же из физико-климатических факторов — температура и влажность, скорость и направление ветра, высота снежного покрова и количество выпадающих осадков, глубина промерзания грунта, количество солнечных и пасмурных дней в году — следует учитывать при строительстве тёплого дома? Разумеется, те, которые непосредственно влияют на изменение температуры и влажности конструкций здания и в той или иной мере определяют выбор материала и тип конструкций. Прежде всего, это расчётная температура наружного воздуха в районе строительства в холодный период года.

Для теплотехнических расчётов ограждающих конструкций применяют усреднённые температуры наружного воздуха:

• среднюю температуру наиболее холодной пятидневки;
• среднюю температуру наиболее холодных суток;
• абсолютную минимальную температуру наружного воздуха.

Средняя температура наиболее холодных суток всегда бывает ниже, чем средняя температура наиболее холодной пятидневки. Наименьшая разница между этими температурами, около 4°С, характерна для большей части Сибири, где зимы суровы и устойчивы, а перепады между этими температурами значительно меньше, чем в европейской части России. Здесь из-за довольно частых циклонов и антициклонов, сопровождающихся резким повышением температуры, сильной облачностью и даже оттепелями, эта разница составляет более 6°С.

Климат России, отличающийся редким разнообразием природных условий, куда более суров, чем климат Западной Европы и Северной Америки. В США, безусловно, значительно холоднее, чем на соответствующих параллелях в большинстве европейских стран, но не следует забывать о том, что граница между США и Канадой проходит по 49-ой параллели, то есть южнее Волгограда и Саратова.

Суровость зимнего периода выражается произведением продолжительности отопительного периода на среднюю температуру отопительного периода, которое называется градусо-дни. Наиболее полно понятие градусо-дней изложено в приложении к электронной книге Суперсолнечный дом Cliff House.

Различия между расчётными температурами наружного воздуха необходимо знать, чтобы правильно выбрать теплозащиту ограждения. Ведь потери тепла конструкцией в течение суток происходят неравномерно. В ночное время, когда воздух наиболее холодный, температура наружной поверхности стены снижается максимально, и постепенно стена начинает охлаждаться по толщине.

Быстрота охлаждения конструкции зависит от её способности усваивать и отдавать теплоту или от тепловой инерции. В бревенчатом срубе или в здании с массивными стенами в самый морозный день человек не ощущает холода. Но в том же помещении, если оно плохо отапливается, через несколько дней становится холодно, промозгло и неуютно: низкие температуры наружного воздуха вызвали резкое уменьшение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции. Поэтому остывший дом с массивными стенами приходится протапливать иногда и несколько дней.

В связи с этим для ограждающих конструкций большой инерционности расчётная температура наружного воздуха принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки. Период в 5 суток принят потому, что его длительность достаточна для того, чтобы низкая температура наружного воздуха, установившаяся в течение этого периода, вызвала максимальное уменьшение температуры на внутренней поверхности стены.

Для охлаждения ограждения малой инерционности достаточно одних суток, поэтому для их теплотехнического расчета принимается средняя температура наиболее холодных суток.

Влажность наружного воздуха

Помимо расчётных температур наружного воздуха необходимо учитывать и влажность воздуха в районе строительства. Следует отметить, что влага оказывает огромное влияние, очень часто негативное, на теплотехнические качества ограждений.

Известно, что вода прекрасно проводит тепло, а воздух, особенно сухой, обладает теплоизоляционными качествами. Поэтому строительные материалы с большим количеством пор, заполненных воздухом, имеют хорошие теплозащитные свойства. Однако, если поры заполняются влажным воздухом или в них проникает влага, теплоизоляционная способность любого материала ухудшается. Кроме того, влага растворяет химические вещества, что приводит к быстрому разрушению материалов. Стены отсыревают, резко ухудшается микроклимат помещений, человек зябнет и часто простужается.

В воздухе всегда содержится некоторое количество влаги в виде водяного пара. Ее количество, содержащееся в 1 м³ воздуха, измеряется в граммах и называется абсолютной влажностью (г/м³). Однако абсолютная влажность не характеризует степень насыщения воздуха влагой, так как при разных температурах максимальное содержание влаги в воздухе неодинаково: чем выше температура, тем больше влаги может в нем находиться. Поэтому и вводится понятие относительной влажности, которая выражается в процентах (%), как отношение действительной упругости водяного пара e в воздухе к максимальной его упругости E при этой температуре.

От относительной влажности воздуха зависит количество влаги, испаряющейся с поверхности ограждения. Чем больше относительная влажность воздуха, тем медленнее происходит испарение. Эта величина является очень важной для проектной и строительной практики и поэтому значение E приводится в справочниках.

Чрезмерно быстрое высыхание наружных слоёв ограждающих конструкций и изделий, например бетонных, в начальный период схватывания бетона может вызвать образование трещин и существенное понижение прочности изделий.

При малой относительной влажности воздуха высыхание наружных слоёв бетона происходит быстрее, чем протекает процесс постепенного химического связывания при его твердении, что приводит к ухудшению структурно-механических свойств наружных слоёв изделия или конструкции. Эти климатические особенности приходится учитывать в некоторых регионах.

При повышении температуры воздуха данной влажности его относительная влажность понижается. Это объясняется тем, что упругость водяного пара e остаётся без изменений, а максимальная упругость E увеличивается.

Совершенно противоположное наблюдается при охлаждении воздуха: увеличивается его относительная влажность вследствие уменьшения максимальной упругости E. При некоторой температуре значение e достигнет величины E, и воздух приобретёт относительную влажность, равную 100%, то есть достигнет полного насыщения.

Температура, при которой воздух с данной упругостью водяного пара достигает полного насыщения, называется точкой росы. Если продолжать охлаждение воздуха ниже точки росы, то предельная упругость водяного пара будет понижаться, и излишнее количество водяного пара, фактически имеющегося в охлаждаемом воздухе, будет конденсироваться, то есть превращаться в капельножидкое состояние.

В природе такие условия можно наблюдать в летнее время при образовании туманов около рек, когда с заходом солнца воздух охлаждается, его относительная влажность повышается и температура воздуха падает ниже точки росы.

По мере согревания воздуха, вызванного восходом солнца, снижается его относительная влажность. При этом капельки влаги, образующие туман, испаряются и туман рассеивается.

В зимнее время затяжные оттепели могут возникнуть при вторжении массы тёплого влажного воздуха. При смешивании его с холодным воздухом он постепенно охлаждается, конденсирует влагу, что приводит к образованию тумана. Такое преобладание оттепелей, вызванных вторжениями с юга тёплого и влажного воздуха, характерно для юга европейской части России.

В зависимости от влажностной характеристики климата в зоне строительства производится выбор материала для утепления существующего или строящегося дома. Следует знать, что теплоизоляционные материалы обладают способностью поглощать влагу, находящуюся в парообразном состоянии, из окружающего воздуха. Это явление называется сорбцией.

Наибольшей сорбционной способностью обладают органические материалы:

• древесина;
• древесноволокнистые плиты;
• фибролит.

Сравнительно небольшую сорбционную способность имеют:

• кирпич;
• керамзитобетон;
• цементный раствор;
• минераловатные плиты;
• минеральный войлок;
• пенопласты.

Хотя проникновение водяных паров вглубь материала происходит достаточно медленно и зависит от плотности материала и температуры воздуха, тем не менее, это необходимо учитывать в районах с влажным климатом, когда из года в год будут постепенно снижаться не только теплозащитные качества утеплителя с высокими сорбционными характеристиками, но и долговечность ограждающих конструкций.

Ветер

Рассматривая влияние климатических факторов на теплозащиту дома, нельзя не упомянуть о ветре, который в холодное время года приносит много неприятностей. Действительно, при температуре воздуха около -5°С и сильном ветре человек мерзнет так же, как и при 25-градусном морозе.

Влияние ветра на дома и жилую застройку сказывается довольно сильно. При приближении ветрового потока к зданию он начинает оказывать давление на ту часть фасада, которая обращена к нему. В результате с этой стороны здания образуется зона повышенного давления или ветровой подпор, при котором холодный воздух более интенсивно начинает проникать через стены, окна, стыки, щели внутрь жилых помещений, сильно их охлаждая. Это явление называется инфильтрацией.

Обогнув здание, ветровой поток продолжает свое движение, образуя с противоположной стороны здания зону пониженного давления или ветровой отсос. В результате этого возникает значительный перепад давлений с двух противоположных сторон дома, что способствует проникновению холодного воздуха в помещение, более интенсивному движению воздуха внутри дома от наветренной стороны к противоположной, сильные сквозняки, выветривающие тепло из комнат, понижение температуры внутреннего воздуха и резкое увеличение тепловых потерь зимой.

Эти явления очень хорошо заметны, если дом находится на территории, свободной от застройки. Поэтому при проектировании зданий, а также при планировке территории, особенно в районах с сильными ветрами, зная направление господствующих ветров, необходимо:

• защитить дом от неблагоприятного воздействия господствующих ветров живой изгородью или деревьями;
• спланировать помещение так, чтобы в одной комнате окна не выходили на наветренную и подветренную стороны;
• использовать для наружных стен материалы с низкой воздухопроницаемостью;
• тщательно уплотнить окна и их примыкания.

Если здание расположено в жилой застройке, то движению ветра препятствует не один, а несколько домов. Каждый дом в зависимости от своего положения изменяет направление ветрового потока и часто бывает трудно определить, на какие части наружных ограждений и с какой силой будет воздействовать ветер, какие конструкции будут испытывать ветровой подпор или отсос.

Характер застройки вносит существенное изменение в ветровой режим. Поэтому при проектировании и строительстве домов очень важно учитывать особенности движения ветра, чтобы взаимно расположить дома и ориентировать их по отношению к ветрам различных направлений так, чтобы ветровое давление на ограждающие конструкции было минимальным.

Потери тепла с поверхности тела

Температура тела человека выше температуры окружающего воздуха и предметов (за исключением отопительных приборов). Поэтому находящийся в комнате человек постоянно теряет какое-то количество тепла в процессе теплообмена. При нормальной температуре (18–20°С) теряется около 116 Вт, причём больше половины путём излучения, около 20% — испарением через кожу и лёгкие, остальное в результате конвекции и теплопроводности. Считается, что такие условия для человеческого организма наиболее благоприятны.

Если температура воздуха поднимается выше нормальной, то организм охлаждает себя благодаря интенсивному испарению воды, то есть выделяя пот. А при температуре ниже нормальной потери человеком тепла увеличиваются за счёт излучения. Чем ниже температура, тем интенсивнее человек выделяет тепло.

В жилом доме теплообмен человека с окружающими его строительными конструкциями происходит, в первую очередь, со стенами и окнами, граничащими с холодным наружным воздухом. Чем холоднее их поверхность, тем лучше она поглощает тепло, излучаемое человеком. Такое интенсивное излучение может привести к переохлаждению организма. Во избежание этого наружные ограждающие конструкции должны быть спроектированы таким образом и обладать такими теплозащитными качествами, чтобы температура на их поверхности не опускалась ниже определённой нормируемой и не приводила к переохлаждению.

Влажность внутреннего воздуха

Следует иметь в виду, что в воздухе всегда содержится некоторое количество влаги, которое выделяется человеком и цветами, а также при бытовых процессах (стирка, приготовление пищи). В воздухе влага содержится в виде пара. Чем теплее воздух, тем больше в нем влаги. При охлаждении воздуха избыточная влага выпадает из него в виде мелких капель.

Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность внутреннего воздуха 50–60%.

При нормативной влажности внутреннего воздуха жилых домов 55% наружные стены должны обладать такими теплозащитными характеристиками, чтобы влага, находящаяся в воздухе, не выпадала на внутренней поверхности стен в виде конденсата, а человек, находящийся в помещении, не переохлаждался в результате теплообмена с холодными наружными стенами.

Теплозащита стен

Исходя из этого нормируются теплозащитные характеристики стены. Оптимальным считается такое сопротивление теплопередаче, при котором температура внутренней поверхности стены отличается от температуры внутреннего воздуха не более чем на 6°С. Эта величина называется нормативным температурным перепадом. Если в помещении температура воздуха составляет 18°С, то на поверхности стены температура должна быть не ниже 12°С.

Учитывая, что цены на топливо постоянно растут, ограждающие конструкции дома должны быть сделаны таким образом, чтобы в нём сохранялось максимальное количество тепла.

Теплозащитные качества стены зависят от коэффициента теплопроводности материала и его толщины, которые начинаются в зависимости от расчётных температур наружного воздуха и конструкции наружного ограждения.

Теплозащита окон

Теплозащитные требования к окнам также направлены на ограничение теплопотерь из помещения. При этом должен отсутствовать конденсат и не должны запотевать стекла. Предъявляются также требования к воздухонепроницаемости. Защита окон от проникания через них холодного воздуха обеспечивается точной пригонкой к оконной коробке и друг к другу.

Во избежание запотевания окон и для обеспечения комфортных условий в помещении температура на внутренней поверхности остекления должна отличаться от температуры внутреннего воздуха не более чем на 9°С.

Потолок

В основу теплозащитных требований к перекрытиям верхнего этажа добавляется требование отсутствия конденсации водяных паров на поверхности потолка. Оно вызвано тем, что тёплый внутренний воздух, содержащий водяные пары, соприкасаясь с поверхностью перекрытия, имеющего температуру ниже точки росы, может конденсироваться, а образовавшиеся капли будут стекать на пол или стены, вызывая их отсыревание.

Также следует иметь в виду, что тёплый, а, следовательно, лёгкий воздух поднимается к потолку. Из-за более высокой температуры внутреннего воздуха под потолком потеря тепла верхними перекрытиями происходит более интенсивно. Поэтому верхние перекрытия должны быть утеплены так, чтобы температура на поверхности потолка отличалась от температуры внутреннего воздуха не более чем на 4°С.

Благодаря более высокой температуре на поверхности потолка (по сравнению со стенами, окнами, полом) температура воздуха в комнате распределяется равномернее в результате излучения тепла от потолка на пол и наружные стены.

Пол

Находясь в помещении, человек почти постоянно соприкасается с поверхностью пола, температура которого хотя и близка к температуре внутреннего воздуха, но всегда значительно ниже температуры стопы человека. Поэтому при постоянном контакте стоп с более холодной поверхностью пола может происходить переохлаждение ног.

Температура поверхности пола должна быть ниже температуры внутреннего воздуха помещения не более чем на 2°С. Кроме того, поверхность пола должна плохо усваивать тепло, передающееся от ног человека. Этим требованиям отвечают деревянные полы, полы с покрытием ворсолином или линолеумом на теплозвукоизоляционной основе.

Все написанное здесь в отношении теплоизоляции внутренних поверхностей, конечно же, нельзя в полной мере относить к поверхностям потолков, стен и полов, в которые встроены системы отопления.