Теплопотери и теплоизоляция – ключевые понятия в строительстве
Как уже было замечено выше, ограждающие конструкционные элементы построек служат своеобразным щитом, который защищает сооружение от негативного воздействия климатических явлений: ветров, влаги, резких колебаний температуры воздуха. Кроме того, они препятствуют проникновению внутрь помещения холодных воздушных масс.
Помимо этого, ограждающие конструкции выступают как элементы строения, представляющие собой сопротивление теплопередаче. Иначе говоря, они пред отвращают выход теплого воздуха из внутренних помещений наружу. Причем более значительные по толщине конструкции оказывают большее сопротивление. При этом они характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами, следовательно, они способны противостоять, не разрушаясь, воздействию низкой температуры (табл. 2).
Таблица 2 Показатели сопротивления теплопередаче строительных материалов
Помимо толщины конструкций, на показатели сопротивления теплообмена оказывают влияние излучение или конвекция, образующиеся на наружной и внутренней поверхностях стеновых перегородок. Объем теплопотерь напрямую зависит от коэффициента теплообмена. Материал, который имеет низкую сопротивляемость теплопередаче, характеризуется незначительными теплозащитными свойствами.
Наиболее показательными для определения степени сопротивления теплопередаче считаются зоны, располагающиеся на наружных, внутренних поверхностях ограждающего элемента и в его толще. Причем каждая из них обладает собственной величиной сопротивления теплопередаче. Теплоизолирующие качества материала и уровень его сопротивления теплопередаче устанавливается на основании интенсивности протекания процесса в указанных областях. Общий показатель сопротивления теплопередаче ограждающего конструкционного элемента определяется путем сложения полученных величин.
Неоспоримым является тот факт, что только в постройке с высокими теплозащитными свойствами можно создать пригодные для комфортного проживания условия. Известно, что температура тела человека выше температуры воздуха и ненагревающихся предметов, находящихся внутри жилища.
Таким образом, человек сам становится объектом, принимающим активное участие в теплообменных процессах, происходящих в той среде, где он находится. В связи с этим в течение всей своей жизни он вынужден постоянно утрачивать часть тепла.
Ученые подсчитали, что при температуре воздуха в помещении от 18° C до 20° C человек теряет около 116 Вт тепловой энергии. Причем 50 % составляет собственно излучение, еще 20 % приходится на испарение, а оставшаяся часть растрачивается на теплопроводность и конвекцию. Подобное соотношение между разными видами теплопотерь принято считать нормальным. При этом любое изменение температурного режима становится причиной нарушения указанной пропорции (рис. 5).
Рис. 5. Схема теплопотерь тела человека в состоянии покоя: 1 – при теплопередаче и конвекции; 2 – при теплопередаче, конвекции и излучении; 3 – при теплопередаче, излучении, конвекции и испарении
Следует заметить, что процесс теплопотерь протекает даже при сравнительно высокой температуре воздуха. При этом он осуществляется путем конвекции. Это происходит вследствие того, что тело человека не допускает перегрева и требует охлаждения. В результате повышения температуры воздуха он начинает потеть, что приводит к поддержанию нормальной температуры тела.
В том случае, если воздух охлаждается, показатели теплопотерь тела человека значительно увеличиваются, поскольку организм требует сохранения определенной температуры, на что затрачивается тепловая энергия.
При этом процесс теплопотерь протекает одновременно с тепловым излучением. Безусловно, чем ниже температура окружающего воздуха, тем выше будет утрата собственного тепла.
Как уже было замечено выше, во время пребывания внутри помещения какой-либо постройки человек вынужден участвовать в теплообмене. По мнению физиков, особенно интенсивен такой процесс, происходящий между телом человека, окнами и стеновыми перегородками.
Такое явление возникает вследствие того, что названные объекты обладают минимальными характеристиками сохранения тепла. При снижении температуры их поверхностей процесс теплопоглощения становится более интенсивным. А это, в свою очередь, приводит к снижению температуры тела человека, поскольку он является одним из активных участников теплообменного процесса.
Для того чтобы предотвратить переохлаждение либо минимизировать влияние процесса теплообмена на организм человека, ограждающие конструкционные элементы составляют и устанавливают так, чтобы сохранить определенный температурный режим на их поверхностях. В соответствии с этим подбирают и строи тельные материалы, из которых планируется выполнять данные конструкции. Только при таком подходе к проведению проектирования и выбору материалов можно получить комфортную для проживания людей постройку.
Как известно, воздушные массы содержат некоторое количество влаги. Ее образование в воздухе связано с жизнедеятельностью живых организмов и растений. Доказано, что в помещении с более высокой температурой воздуха влаги больше, чем в холодной комнате. Резкое снижение температуры является причиной выпадения и оседания капелек воды на поверхностях. Такое явление называется конденсатом, который оказывает разрушительное действие на конструкционные элементы и предметы, находящиеся в помещении.
Нормальным уровнем влажности воздуха принято считать показатель не более 60 %. Изменение его в ту или иную сторону вызывает явления, которые отрицательно воздействуют на окружающую среду. Например, при его понижении происходит высыхание слизистой, напротив, при повышении уровня влажности воздуха наблюдается уменьшение скорости испарения излишков влаги с тела человека.
Для того чтобы получить комфортное для проживания сооружение, при подборе материала и на этапе проектирования постройки важно уделить особое внимание теплоизоляционным характеристикам конструкций. Стены, например, должны быть выполнены из такого материала, который не позволит оседать влаге на поверхностях конструкционных элементов. Это, в свою очередь, предотвратит нарушение теплообменных процессов и не допустит переохлаждения тела человека.
На основании указанных факторов и следует определять теплозащитные параметры ограждающих конструкций. В строительстве существует понятие «нормативный температурный перепад». Под ним подразумевается разница между температурой воздуха внутри помещения и внутренней температурой стеновых перегородок. Согласно принятым нормативам, ее величина не должна превышать 6° C. Иными словами, максимально комфортным является помещение, в котором температура воздуха составляет 20° C, а температура внутренней поверхности стен не опускается ниже 14° C.
Для того чтобы уменьшить теплопотери, при сооружении постройки нужно использовать такие ограждающие конструкционные элементы и материалы, которые обладали бы способностью сохранять достаточное количество тепла, а его выделение при этом должно быть минимальным.
Данная проблема является особенно актуальной для оконных проемов, через которые обычно уходит достаточно много тепла. Для предотвращения чрезмерного выделение тепла и повышения теплосбережения они должны быть устроены таким образом, чтобы при эксплуатации помещения в дальнейшем исключить вероятность образования конденсата и запотевания стекол.
При этом нужно устранить зазоры, обычно имеющиеся между стеновым перекрытием и оконным блоком. Помимо этого, во время устройства окон переплеты следует размещать, подгоняя вплотную друг к другу. Профессиональные строители и архитекторы (на стадиях возведения постройки и составления проектного чертежа соответственно) для определения степени воздухопроницаемости окна применяют специальную формулу. Так, было доказано, что его следует считать герметичным, если масса воздуха, проходящего через 1 м2 проема, не превышает 10 кг.
Для того чтобы продлить срок эксплуатации окна, разница между температурами внутренней поверхности стеклянного полотна и воздуха внутри помещения должна составлять не более 9° C. В противном случае образующийся в результате этого конденсат приведет к разрушению возведенной конструкции.
При сооружении постройки особое внимание необходимо уделять устройству потолочных перекрытий. Главный враг любого строительного материала – вода. Образующаяся на перекрытиях влага может привести к преждевременной их порче и значительному сокращению срока эксплуатации здания.
Для предотвращения скапливания конденсата на внутренних поверхностях потолочных конструкций микроклимат внутри помещений следует поддерживать на таком уровне, чтобы разница между воздухом и внутренней поверхностью потолочного полотна составляла не более 4° C. Если температура последней будет выше, это приведет к более равномерному распределению теплого воздуха.
Комфортными условиями в жилище считают такие, при которых температурные показатели пола и внутреннего воздуха практически одинаковы. Однако такая величина не должна быть ниже температуры стоп человека. Если количество утрачиваемого стопами тепла не превышает энергии, вырабатываемой телом, человек не переохлаждается. Если же, напротив, теряемое тепло больше, чем производимое, тогда человек начинает ощущать холод.
Напольные покрытия, которые обладают способностью сохранять тепло и предотвращать таким образом переохлаждение ног человека, принято называть теплыми. К группе подобных материалов относятся покрытия, выполненные из древесины (в том числе и паркет) и линолеума с утепляющей основой.
Холодным напольным покрытием считается такое, при контакте с которым наблюдается понижение температуры поверхности стопы человека. При этом расход тепла превышает объем вырабатываемой энергии. В качестве примера напольных покрытий подобного типа следует назвать керамическую плитку, бетонные, земляные и каменные полы.
Для создания наиболее комфортных условий проживания разница между температурами воздуха внутри помещения и поверхности пола должна составлять не более 2° C. Особенно высокими термосберегающими характеристиками обладают, как уже было замечено выше, напольные покрытия из древесных материалов, дополненные линолеумом на теплой основе.
Как известно, для обогревания помещений в холодное время года применяются отопительные приборы и системы. Причем разница между внутренней и наружной температурами может быть достаточно большой. Чем холоднее воздух на улице, тем сильнее должен обогреваться воздух внутри жилых помещений постройки.
Такое требование является вполне закономерным, поскольку вследствие понижения наружной температуры увеличиваются объемы теплопотерь ограждающих конструкционных элементов. Для того чтобы их компенсировать, требуется увеличить внутреннюю температуру. Стоит заметить, что количество термопотерь находится в прямой зависимости от теплоизолирующих качеств используемого материала и величины конструкции (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость теплопотерь, площади и качественных характеристик ограждающих конструкционных элементов: 1 – однослойные керамзитобетонные; 2 – кирпичные; 3 – утепленные трехслойные панельные
Стеновые перекрытия являются самыми большими по площади конструкционными элементами постройки. А потому именно их теплоизоляционными показателями в большей степени обусловлены качественные характеристики всего помещения. Было установлено, что сквозь стены высвобождается до 45 % тепла.
Общая площадь оконных проемов значительно меньше, чем у стеновых перекрытий. Однако теплозащитные свойства стекол ниже по сравнению со стенами. Это происходит вследствие низкого сопротивления окон теплопередаче, которое примерно в 3 раза меньше, чем у стен. В связи с этим количество термопотерь через стекла достигает 40 %. Для того чтобы снизить степень влияния подобного явления на сохранение тепла внутри помещения, важно уделять особое внимание теплоизоляции окон.
Следует отметить, что в ветреную погоду сквозь имеющиеся в стенах и окнах зазоры из помещения уходит достаточно большая часть тепла. Термопотери в результате увеличиваются. При этом нужно упомянуть о таких понятиях, существующих в строительстве, как эксфильтрация и инфильтрация.
Эксфильтрация представляет собой процесс, при котором теплый воздух, находящийся в помещении, перемещается с внутренней поверхности в толщу конструкционного элемента и увеличивает его температуру, что становится причиной роста показателей термопотерь и образования конденсата.
При инфильтрации более холодные воздушные массы проникают через конструкции постройки с улицы внутрь помещения. Это приводит к понижению температуры ограждающего элемента, его поверхностей и внутреннего воздуха. Данное явление зачастую становится причиной значительного увеличения теплопотерь.
Следовательно, можно говорить о том, что процессы эксфильтрации и инфильтрации воздушных масс оказывают значительное влияние на температурный режим внутри помещения и показатели утечки тепла сквозь ограждающие конструкционные элементы.
Выполняя небольшую по высоте постройку, следует тщательно спланировать теплоизоляцию потолочного перекрытия верхнего этажа и цоколя. В том случае, если используемые материалы окажутся низкого качества, объем термопотерь возрастет с 3 до 10 %. Плохо изолированная крыша нередко становится главной причиной возрастания теплопотерь. При этом в многоэтажных постройках они составляют 5–10 %, а в малоэтажных – 30–35 %.
Устройству теплоизоляции крыши нужно уделить особое внимание, если планируется оборудовать мансардное помещение.
Только качественно проведенная работа позволит создать постройку с пригодными и комфортными для проживания условиями.
