IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выявление тепловых потерь через ограждающие конструкции в частном доме
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Многие жители городов, проживающие в квартирах, имеют частные дома, в которые они приезжают на выходные и праздники, чтобы отдохнуть от городской суеты. Особенно комфортно в них проживать летом, однако большая часть территории России лежит в умеренном континентальном климатическом поясе. Это означает, что большую часть года у нас холодно и с наступлением середины осени вопрос об отоплении дома становится актуальным.
Целью данного проекта является исследование направления теплопотерь и способов их устранения. Первостепенной задачей данного проекта является изучение научно-популярной литературы по проблеме потери тепла. Далее нужно определить места в доме, где происходят теплопотери. После этого требуется подсчитать количество теплопотерь. Затем после выполнения подсчетов следует разработать рекомендации по устранению утечек тепла и подбору строительных материалов, наиболее эффективно удерживающих тепло в доме.
Объектом исследования является дачный дом. Предметом - тепловые потери. При написании проекта будут применены аналитический, информационный и проектный методы. Гипотеза: если уменьшить теплопотери, то расходы финансовых средств на отопление снизятся. Анализ данной проблемы говорит о том, что она довольно хорошо изучена для монолитных домов, расположенных в городской черте, но слабо исследована для загородных домов на открытом пространстве.
По статистике, лишь 6% всех зданий соответствуют нормативным требованиям по тепловой защите. Это означает, что остальные 94% имеют уязвимые места, через которые тепло покидает дом. Излишние теплопотери приводят к дополнительным расходам владельцев на отопление здания.
Глава 1. Теоретические основы учёта тепловых потерь при строительстве загородного дома
§1. Что такое строительство и как оно развивается
Строительство — создание (возведение) зданий, строений и сооружений. В широком смысле к строительству (как отрасли) также относят капитальный и текущий ремонт зданий и сооружений, а ещё их реконструкцию, реставрацию и реновацию. [5]
Углубимся в историю. С момента появления человечества и до сегодняшнего времени у людей существует потребность в комфортном проживании, защите от холода, зноя, дождей и прочих погодных и социальных явлений. Для этого люди использовали различные пещеры, сооружали хижины, землянки и обживали норы животных. Человек учился строить и обустраивать свое жилье у животных, что-то изменяя и дополняя под свои потребности и нужды. Уже тогда человек старался выровнять стены, менять и обустраивать комнаты, оформлялся вход в помещение.
Сейчас строительство ушло далеко вперед. На смену деревянным избам пришли высокие кирпичные дома. Разберемся, почему. [6,7]
Пожалуй, главный плюс кирпича - это долговечность. По оценкам экспертов, кирпичный фасад - это инвестиция, на сто лет. Профессионально выполненный фасад, не будет в то же время, требовать никаких ремонтов. Кирпич-это материал, который удержит даже самую усложнённую и тяжелую конструкцию, ему не страшны никакие статические обременения.
Второе его преимущество, которое интересует нас больше всего в рамках данного проекта – это хорошее накопление тепла и его сохранение, то есть хорошая аккумулятивность. Оптимальных параметров в этой сфере достигают трёхслойные стены, с наружным слоем из клинкерного кирпича. Большая тепловая стабильность, гарантирует комфорт в доме, потому, что даже после выключения обогрева или стремительного похолодания снаружи, внутри дома ещё долгое время будет тепло. Более того, благодаря высокой аккумулятивности кирпича и других керамических строительных материалов, таких, как поризованные блоки, в кирпичных домах будет тепло зимой, а жарким летом помещения в доме будут заполняться приятной прохладой.
Кирпич устойчив к воздействию атмосферных факторов. Учитывая сверхнизкую поглощаемость (около 5% в случае красного гладкого кирпича), клинкерные кирпичи являются устойчивыми к проникновению воды. Благодаря этому, не страшны им любые погодные условия, даже самые суровые морозы.
§2. Терминологические основы по физике тепла
Была посещена выставка «Ваш Коттедж», на которой мы узнали о новых продуктах, технологиях и услугах от компаний - участников. На выставке была затронута тема теплопотерь и нам удалось ознакомиться с данным явлением более детально. Также была изучена научно-популярная литература по теме исследования. Удалось выявить, что наиболее эффективным способом выявления теплопотерь является общая теплограмма тепловизором. В холодное время года специалисты приезжают к вам, делают общую теплограмму дома, при необходимости диагностируют отдельные места и выдают рекомендации по устранению дефектов.
В основном, статистика наблюдается следующая:
Рис.1. Теплопотери зданий
А на следующем рисунке (2) потери видны более детально:
Рис.2. Теплопотери в малоэтажном здании
Теплопроводность - способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. [8]
Есть три виды передачи тепла:
Рис.3. Три вида передачи тепла
Теплопроводность – переход теплоты с одного тела на другое при их соприкосновении или с более теплой части тела на холодную. [9]
Различные вещества имеют разную теплопроводность. Большую теплопроводность имеют все металлы. Малую теплопроводность имеют газы. Вакуум не имеет теплопроводности, так как в вакууме нет частиц, которые бы обеспечивали теплопроводность. Вещества, которые плохо проводят теплоту, называют теплоизоляторами. В природе есть отличный пример того, как работает теплопроводность: мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от переохлаждения зимой и перегрева летом.
Рис.4. Пример передачи тепла посредством теплопроводности
2) Конвекция – это распространение тепла перемещающимися струями газа или жидкости. [9]
При конвекции тепло переносит само вещество. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. Существует множество примеров конвекции в быту: нагрев комнаты от батареи, циркуляция воздуха в холодильниках, теплый дым из печной трубы и т.д.
Рис.5. Конвекция в помещении
Тепловое излучение – распространение тепла от теплого тела при помощи инфракрасных лучей. [9]
Тепловое излучение – единственный вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме. Чем выше температура, тем сильнее теловое излучение. Тепловое излучение производят, например, люди, животные, Земля, Солнце, печь, костер.
Рис.6. Пример теплового излучения
Глава 2. Математические расчеты теплопотерь
§1. Методика расчета теплопотерь в одноэтажном частном доме
Рис.6. План дачного дома
Проведем эксперимент по вычислению тепловых потерь на примере одноэтажного загородного дома. Для этого имеется формула
Q=S·∆T/R, где:
Q – теплопотери [Вт]
S – площадь конструкции [м2]
∆T – разница температур внутри и снаружи [C]
R – значение теплового сопротивления конструкции [Вт/м·K]
Из этого всего R является неизвестной, поэтому для этого показателя отдельная формула R=B/K, где B – толщина материала [м], а K – коэффициент теплопроводности материала [Вт/м·K].
Температурный режим внутри дома для расчета берем +21..+23°С - такой режим является наиболее комфортным для человека. Максимальная уличная температура для расчета теплопотерь взята -30°С. При этом разность температур получаем ∆Т = 51..53, в среднем - 52 градуса.
Общие теплопотери дома состоят из теплопотерь всех ограждающих конструкций, поэтому, используя эти формулы, выполним:
Расчет теплопотерь стен
Расчет теплопотерь через дверь и окна
Расчет теплопотерь через потолок и пол
1. Рассчет теплопотерь стен.
Для расчета мы возьмем только 3 стены, так как четвертая стена граничит с отопляемой терассой и не является источником теплопотерь.
Стены А и Б – с окнами, а стена В – с дверью.
Составляющие стен. Дом строился не нами, поэтому мы не имеем точных данных о том, из каких материалов он изготовлен, но, предположительно, в щитах в качестве утеплителя использована мягкая стекловата толщиной 0,1. Фасад дома утеплен утеплителем толщиной около 0,05 м.
Для расчета площади стены без учета окон и дверей потребуются следующие размеры:
Длина стен – 7 м.
Высота стен – 3 м.
Площадь одного окна в помещениях – 1,5 м².
Площадь одного окна в помещении – 0,7 м².
Площадь входной двери в помещении – 1,6 м².
Расчет площади стены выполняем по формуле:
Общая длина стен · высота стен – площадь окон (дверей). Теперь подставим имеющиеся значения:
S стен (А и Б) = (7 м + 7 м) · 3 м – (1,5 м² +1,5 м² + 0,7м²) = 38,3 м², округляем до 38,5 м² - полученная площадь стен (А и Б) для расчета теплопотерь.
S стены (В) = 7 м · 3 м – 1,6 м² (площадь двери) =19,4 м², округляем до 19,5 м² - полученная площадь стены (В)
Площадь стен известна, теперь для расчета теплопотерь необходимо вычислить величину сопротивления R для каждого слоя утеплителя стен, так как утепление стен многослойное:
Толщина утеплителя со стороны фасада дома – 0,05 м с коэффициентом теплопроводности 0,039 Вт/мК. R1 = 0,05 / 0,039 = 1,28 м² · °С / Вт;
Межстеновой утеплитель (стекловата) - толщина 0,1 м с коэффициентом теплопроводности 0,043 Вт/мК. R2 = 0,1 / 0,043 = 2,32 м² · °С / Вт;
Внутренняя обшивка стен (мягкая ДВП) – толщина слоя 0,012 м, коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/мК. R3 = 0,012 / 0,05 = 0,24 м² · °С / Вт.
Расчет величины теплосопротивления стен дома производим по формуле:
R стен = R1 + R2 + R3 = 3,84 м² · °С / Вт.
Теперь в формулу расчета теплопотерь подставляем полученные показатели:
Теплопотери для стен (А и Б):
Q = S · ∆T / R =38,5 м² · 52 °С / 3,84 м² · °С / Вт = 521,35 Вт·ч.
Теплопотери для стены (В):
Q = S · ∆T / R = 19,5 м² · 52 °С / 3,84 м² · °С / Вт = 264,06 Вт
Общие теплопотери стен составляют 785,41 Вт·ч (или 0,78 кВт·ч).
2.Рассчет теплопотерь через окна и дверь.
В доме установлено два окна размером 1·1,5 метра и одно окно 0,6·1,5 метра. Входная дверь изготовлена, предположительно, из сосны. Ее толщина около 0,05 м с утеплителем. Размер 0,8·2 метра.
Вычислим площадь окон в доме:
S окон = 1 · 1,5 · 2 + 0,6 · 1,5 = 3,9 м2.
Так как я не знаю, какие именно окна стоят в нашем доме, я взял в Интернете параметры стандартного окна и буду производить с ними вычисления. Допустим, что все три окна выполнены из трехкамерного профиля ПВХ и имеют двухкамерные стеклопакеты 4-16-4-16-4 с обычным стеклом (4 - ширина стекла, 16 - расстояние между стеклами). [10]
Далее рассчитаем теплосопротивление окна:
Теплосопротивление двухкамерного стеклопакета такой конструкции:
R стекла = 0,4 м² · °С / Вт. [10]
Теплосопротивление трехкамерного профиля ПВХ:
R профиля = 0,6 м² · °С / Вт. [10]
90% площади окна занимает стеклопакет и 10% - профиль ПВХ. Тепловое сопротивление окна рассчитаем по формуле рассчета теплопотерь :
R окна = (R стекла · 90 + R профиля · 10) / 100 = 0,42 м² · °С / Вт.
Имея данные о площади окон и их теплосопротивлении, выполним расчет теплопотерь через окна:
Q окон = S · ∆T · / R = 3,9 м² · 52 °С / 0,42 м² · °С / Вт = 482,8 Вт·ч (0,48 кВт·ч).
3. Рассчет теплопотерь через дверь.
По информации, теплопроводность материала входной двери равна 0,14 Вт/мК. [11]
Тепловое сопротивление двери:
R двери = B / K = 0,05 м / 0,14 Вт/мК = 0,36 м² · °С / Вт,
Расчет теплопотерь через дверь выполняем по известной нам формуле:
Q двери = S · ∆T · / R = 1,6 м² · 52 градуса / 0,36 м² · °С / Вт = 231,1 Вт·ч (0,23 кВт·ч)
4. Рассчет теплопотерь через пол и потолок.
Для выполнения расчета теплопотерь через пол и потолок нам потребуются следующие данные (здесь я также брал параметры стандартных материалов):
Размеры дома 7 х 7 метров.
Полы – доска толщиной 32 мм, обшиты ДСП толщиной 0,01 м, утеплены минераловатным утеплителем толщиной 0,05 м. Под нашим домом находится погреб. Зимой температура в подполье в среднем составляет около +8°С. [12]
Потолочное перекрытие – потолки сделаны из деревянных щитов, потолки утеплены со стороны чердачного помещения минераловатным утеплителем толщина слоя около 0,15 метра. Чердачное помещение неутепленное.
Рассчет теплопотерь через пол.
Площадь пола S пола =7х7=49 м2
Далее выполним расчет теплосопротивления пола. Т.к. полы многослойные, то рассчитаем теплосопротивление каждого слоя [13]:
Kдосок=0,15 Вт/мК
Kдсп=0,15Вт/мК
Kутеплителя=0,039Вт/мК
R досок =B/K=0,032 м/0,15 Вт/мК =0,21 м²·°С/Вт, где B - толщина материала, К - коэффициент теплопороводности.
R ДСП =B/K=0,01м/0,15Вт/мК=0,07м² · °С/Вт
R утепл =B/K=0,05 м/0,039 Вт/мК=1,28 м² · °С/Вт
Суммарное значение R пола=0,21+0,07+1,28=1,56 м² · °С/Вт
Учитывая, что в подполье температура зимой постоянно держится около +8°С, то ∆T, необходимое для расчета теплопотерь, равно 22-8 =14 градусов. Теперь мы имеем все данные для расчета теплопотерь через пол:
Q пола = S·∆T/R=49 м²·14 °С /1,56 м²·°С/Вт=439,74 Вт·ч (0,43 кВт·ч)
Рассчет теплопотерь через потолок.
Площадь потолка такая же, как и пола: S потолка = 49 м2
При расчете теплового сопротивления потолка я не стану учитывать деревянные щиты, т.к. они не имеют плотного соединения между собой и не выполняют роль теплоизолятора. Поэтому тепловое сопротивление потолка:
R потолка = R утеплителя = толщина утеплителя 0,15 м/теплопроводность утеплителя 0,039 Вт/мК=3,84 м²·°С/Вт
Производим расчет теплопотерь через потолок:
Q потолка =S·∆T/R=49 м²·52 °С /3,84 м²·°С/Вт=663,5 Вт·ч (0,66 кВт·ч)
После расчета я получил такие данные:
Q стен – 0,78 кВт·ч
Q потолочного перекрытия - 0,66 кВт·ч
Q пола – 0,43 кВт·ч
Q окон – 0,48 кВт·ч
Q входной двери – 0,23 кВт·ч
Итого: суммарный результат теплопотерь через ограждающие конструкции и пол составил – 2,58 кВт·ч.
§2. Подсчет финансовых убытков
Произведем подсчеты по переводу потраченных кВт·ч в денежные средства:
В среднем, отопление включено около 5 месяцев в год.
В этот год суммарное количество дней составило: ноябрь(30 дн) + декабрь(31дн) + январь(31 дн) + февраль(29 дн) + март(31 дн) = 152 дней
Умножим количество дней на количество часов в сутках: 152 дней · 24 часа= 3 648 часов
Часы умножим на число, равное количеству потраченных киловатт в час: 3 648 часов · 2,58 кВт·ч = 9 411,84 кВт
Потраченные киловатты умножим на число, равное стоимости одного киловатта в час для населения, проживающего в сельском населенном пункте: 9 411,84 · 2,84 = 26 729,6256, округляем до 26 700 рублей. Именно такая сумма ежегодно переплачивается нами из-за утечек тепла из дома.
§3. Рекомендации по устранению тепловых потерь
Нельзя не согласиться, что переплачиваемая сумма довольно велика и во избежание лишних затрат я постараюсь разработать рекомендации по устранению тепловых утечек.
Утепление окон
Утепление окон дома чаще всего выполняют по шведской технологии, для чего все оконные створки снимают с рам, затем по периметру рамы выбирают фрезой паз, в который заправляют трубчатый уплотнитель из силикона (диаметром от 2 до 7 мм) — это позволяет надежно загерметизировать притворы окон. Мелкие щели в рамах, зазоры между стеклопакетом и рамой заполняют герметиком после предварительного мытья, очистки и просушки окон.
Утепление окон можно также выполнить с применением теплосберегающей пленки, которую при помощи самоклеющейся полосы фиксируют на оконной раме. Пропуская внутрь комнаты свет, пленка надежно экранирует тепловые потоки за счет металлизированного напыления, возвращая обратно в помещение порядка 60% тепла. Значительные теплопотери через окна нередко связаны с нарушением геометрии рамы, щелями между рамой и откосами, провисанием и перекосом створок, некачественным функционированием фурнитуры — для устранения этих проблем требуется квалифицированная регулировка или ремонт окон. [2]
Утепление стен
Самая значительная потеря тепла — около 40%, происходит через стены зданий, поэтому продуманное утепление капитальных стен частного дома кардинально улучшит его теплосберегающие параметры. Утепление стен может быть выполнено изнутри или/и снаружи — способ утепления зависит от материала, использованного в строительстве дома. Кирпичные и пенобетонные дома чаще всего утепляют снаружи, но теплоизолятор может быть заложен также изнутри этих построек.
Утепление стен дома также может быть выполнено по технологии «мокрого» или навесного фасада. Основное отличие этих методов между собой заключается в принципе монтажа фасадной облицовки. При обустройстве «мокрого» фасада плотный теплоизолятор (пенополистирол, пенопласт) крепят на стену, а затем выполняют декоративную отделку с применением клеящих смесей. При монтаже навесного фасада после установки утеплителя (минеральной или стекловаты) монтируют обрешетку, а затем в ее профилях закрепляют облицовочные модули. Обязательным элементом «пирога» стен является пароизоляционная пленка, которая отводит конденсат от утеплительного слоя, защищает его от намокания и предотвращает потерю изоляционных свойств. [1]
Утепление крыши
Кровля дома — это еще одна поверхность, через которую из дома постоянно уходит тепло. В зависимости от материала, использованного при обустройстве кровельного настила, крыша может быть более или менее теплой. Капитального утепления, как правило, требуют металлические кровли из профнастила и металлочерепицы. Аналогично технологии утепления других поверхностей дома, в «пирог» крыши обязательно включают паробарьер, а для эффективного проветривания подкровельного пространства предусматривают один или два вентиляционных зазора. [4]
Утепление пола
В отличие от стен и оконных проемов, утечка тепла через пол частного дома невелика — составляет приблизительно 8%, а при условии обустройства утепления, она сократится до минимума. В качестве утеплителя для полов используют все тот же пенопласт, полистирол или минеральную вату, но также возможно применение керамзита, вспененного бетона, цементно-стружечных смесей и торфяных матов. Дополнительной утеплительной мерой в загородном доме может выступать монтаж теплых полов: водяных, кабельных или инфракрасных.
Аналогично устройству утепления стен и крыши, обязательным компонентом «пирога» пола выступает пароизоляционная мембрана, которая экранирует насыщенный влагой пар, просачивающийся из внутреннего пространства дома наружу. Таким образом, теплоизолирующий слой оказывается надежно защищенным от намокания. [3]
§4. Качественный анализ утепления дома загородного типа, выводы из математических расчетов
Мы решили выяснить, является ли утепление дома выгодным решением. В Интернете мне удалось найти расценки на утепление различных частей дома.
Утепление окон
Цена за утепление одного окна нашего размера 1.5 м2 составляет 2 800 рублей. Окон такого размера в доме 2. [14]
Цена за утепления окна размером 0.7 м2 составляет 1480 рублей.
В сумме утепление окон обойдется в 7 080 рублей
Утепление стен
Данные о стоимости, плюсах и минусов утеплительных материалов представлены ниже в таблице:
Рис.5. Таблица сравнения минеральной ваты и пенополистерола
Исходя из данных таблицы, вполне очевидно, что минеральную вату использовать гораздо выгоднее. Таким образом, утепление стен обойдется в 98 000 рублей.
Утепление потолка
Нам удалось найти расценки на утепление потолка с помощью ППУ (Пенополиуретан) [15]
Рис.6. Стоимость утепления потолка
Наиболее оптимальным вариантом является утепление пенополиуретаном плотностью 28-35 кг/м3 толщиной 50 мм. Таким образом утепление потолка обойдется в 31 850 рублей.
Утепление пола
На одном из сайтов в Интернете [16] нам удалось найти, что утепление пола минеральной ватой стоит 100 рублей за м2.
Исходя из этих данных, мы получаем, что утепление пола будет стоить 4 900 рублей.
Заключение
Проект посвящен ныне актуальной теме уменьшения теплопотерь и экономии денежных ресурсов на отопление дома. Теплопотери в жилом доме происходят разными способами. Целью проекта является минимизация теплопотерь и способы их устранения с помощью различных материалов.
В теоретической части проекта рассмотрены основные понятия по физике тепловых процессов, такие как теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
В практической части проекта высчитано общее количество теплопотерь через ограждающие конструкции, вычислено, какая сумма ежегодно переплачивается за электричество из-за потерь тепла, а также разработаны рекомендации по уменьшению теплопотерь. Дана информация о расценках на материалы для утепления дома. Сделан вывод о том, что теплоизоляция дома является выгодным решением, так как через несколько лет затраты на уменьшение тепловых потерь окупятся, а плата за электричество будут значительно меньше.
Поставленные задачи были решены:
Была изучена научно-популярная литература по проблеме потери тепла.
Были определены места в доме, где происходят теплопотери.
Было подсчитано количество теплопотерь.
Были разработаны рекомендации по уменьшению утечек тепла и подбору строительных материалов, наиболее эффективно удерживающих тепло в доме.
В ходе проделанной работы цель достигнута. Исследованы направления теплопотерь и способы их устранения.
Гипотеза подтвердилась: если уменьшить теплопотери, то расходы финансовых средств на отопление снизятся.
Список информационных ресурсов
Утепление и гидроизоляция дома и квартиры / Е. В. Колосов. – М. : РИПОЛ классик, 2013. – 256 с
Утепление квартиры и дома современными материалами / С.А. Хворостухина. – М. : РИПОЛ классик, 2011. – 210 с
Утепление летнего дома /А.В. Печкарева. – М. : РИПОЛ классик, 2013. – 140 с
Утепление мансарды дачного домика /И.И. Мельников. – М. : РИПОЛ классик, 2012. – 25 с
https://ru.wikipedia.оrg/wiki/strоitelstvо
https://megalit-strоy.ru/strоitelstvо-kak-оnо-razvivalоs.html
https://strоimdоm24.cоm/12-prichin-pоchemu-stоit-strоit-iz-kirpicha/
https://ru.wikipedia.оrg/wiki/teplоprоvоdnоst
https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/teplоvye-iavleniia-12324
https://1-оk.cоm.ua/kharakteristiki-steklоpaketоv
https://zen.yandex.ru/media/forumhouse/teplyi-dereviannyi-dom-raschet-tolsciny-sten-i-osobennosti-rubki-uglov-5a718e5448267780a78fd381
https://nkkconsult.ru/raschet-teplopoter-pola-nad-produvaemym-podpolem-teplotehnicheskii.html
http://www.builderclub.cоm/statia/raschet-teplоpоter-dоma-cherez-оgrazhdayushchiye-kоnstrukcii
http://www.warmline.ru/uteplenie_okon_spb.html
https://samara.poliuretan-ppu.ru/work/uteplenija-potolka/
https://samara.pulscen.ru/price/180705-teploizoljacionnye-raboty/f:30518_pola