Расчет теплопроводности стены

Расчет теплопроводности стены

Каждый, кто строит дом или же собирается проводить ремонт, задается вопросом: какой толщины делать стены, какую теплоизоляцию и какой утеплитель лучше всего использовать.

Именно ответы на эти вопросы позволят сделать любой дом или квартиру уютными, комфортными и удобными для проживания.

Опять же, использование некачественных материалов и в недостаточных количествах, игнорирование утепления, как такового, могут привести к весьма печальным последствиям.

В таком доме просто будет сложно жить как в жару, так и в морозы. Температура в комнатах будет мало отличаться от температуры на улице.

Поэтому следует выяснить, какой же толщины должна быть теплоизоляция конкретно для вашего случая.

Карта температурных зон Украины

Для того что бы правильно рассчитать толщину утеплителя, также необходимо ознакомиться с картой климатических зон Украины. Каждая климатическая зона имеет свои индивидуальные погодные условия, и для каждой зоны необходимо учитывать коэффициент теплопередачи.

I зона: Ровно, Житомир, Чернигов, Киев, Сумы, Полтава, Харьков, Луганск, Донецк, Тернополь, Хмельницкий, Винница, Черкассы, Кировоград, Ивано-Франковск.

II зона: Луцк, Львов, Днепропетровск, Запорожье.

III зона: Ужгород, Одесса, Николаев, Херсон, Черновцы, АР Крым.

IV зона: Крымское побережье.

Сопротивление стены теплопередаче

Общее сопротивление стены теплопередаче дома Ro рассчитывается, как сумма сопротивления передачи каждого слоя материала в данной строительной конструкции . Иными словами, если стена состоит из кирпича, утеплителя и штукатурки, то следует посчитать сопротивление теплопередачи каждого слоя по отдельности, а затем сложить. Причём, для каждого утеплителя известно значение коэффициента теплопроводности λ.

Очевидно (см. формулу выше), что, если используем материал с большим λ, то и толщина слоя должна быть большой. Тогда, казалось бы, для теплоизоляции дома следует применять только материалы с малым λ. Это позволит получить большое значение сопротивления теплопередачи при малой толщине стены. Но материалы с малым λ – непрочные. Они хорошо греют, но не выдерживают нагрузок. А материалы с большим λ – наоборот, — жесткие и прочные, но плохо удерживают тепло. Поэтому при строительстве их чередуют: несущая стена из кирпича плюс легкий пенопласт и т.д.

Но для создания жесткой и прочной конструкции вполне достаточно стены в полтора кирпича. Тогда вопрос в том, какой толщины должен быть слой этого материала, чтобы обеспечить нужное для стены сопротивление теплопередачи?

Требуемое сопротивление теплопередаче

И вот здесь важно знать, что в России утверждены нормативы для сопротивления теплопередачи строительных конструкций. Регламентом является СНиП II-3-79 СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА с различными изменениями и дополнениями, актуализирующими этот документ 1979 года, применительно к современным реалиям.

Так, например, до 2014 г. для района Новосибирска сопротивление теплопередачи стен было принято, как 3,69 м2•ºС/Вт. И неважно, из какого материала Вы сделаете теплоизоляцию стены дома, но важно, чтобы суммарный коэффициент теплопередачи такой стены был не менее 3,69.

С 2014г. вышло послабление и Ro стало 2,66 м2•ºС/Вт. Для сравнения, в Германии сейчас этот показатель составляет 7,6 м2•ºС/Вт. Такое понижение связано не с изменением климата, т.к. в столице Сибири, явно зимой холоднее, чем в Берлине.

Цель была другой – уменьшить стоимость квадратного метра, чтобы быстрее и дешевле возводить дома и сделать жильё доступнее. Да, снижая норматив по теплопередаче, мы уменьшаем цену строительства, но стоимость эксплуатации зданий у нас получается выше, чем у немцев.

Но, если в Новосибирске сейчас установить значение Ro на уровне 7,6, то жильё ого-го, как подорожает. В кризис строительной индустрии и так приходится несладко, поэтому понятно, что в ближайшей перспективе изменения в СНиП вносить не будут. Поэтому, если следовать исключительно букве закона, то расчет сопротивления теплопередачи в Сибири следует вести, исходя из Ro = 2,66.

И всё же, понимая, но не принимая, вышеизложенную позицию, ООО Современные Технологии рекомендует на этапе строительства и теплоизоляции дома думать также о тех затратах, которые предстоят потом, при эксплуатации. Ведь потом придется ПЕРЕПЛАЧИВАТЬ, причем постоянно и многие годы! Поэтому мы рекомендуем на этапе проектирования завысить требуемое сопротивление теплопередаче.

Когда ООО СовТех строит самостоятельно, то настоятельно рекомендует заказчику согласовать проект, где Ro не ниже 3,69 м2•ºС/Вт. Это снижает тепловые потери при эксплуатации до 3%, вместо 10-12%, которые неминуемы, если возводить стены с учетом нынешнего значения коэффициента в 2,66.

Расчет сопротивления теплопередаче

Итак, для формулы R = δ / λ, известны все значения, кроме δ , т.е. толщины слоя утеплителя. Отсюда мы можем рассчитать, сколько же сантиметров того или иного материала требуется, чтобы сопротивление теплопередачи стены было 2,66 или м2•ºС/Вт. Сравним три разных вида материалов для теплоизоляции дома:

• минеральная вата;
• экструдированный пенополистирол (пеноплекс);
• жёсткий пенополиуретан (напыляемый или заливочный – без разницы).

Чтобы результаты были более правдивыми, возьмем не лабораторные λ (коэффициент теплопроводности материала), а значения для эксплуатации, примерно на 20% выше. Таким образом «ужесточаем» условие задачи для теплоизоляции стен дома.

Тогда имеем, что для минеральной ваты λ=0,054 Вт/(м°С). Для пеноплэкса λ= 0,036 Вт/(м°С). Для пенополиуретана λ=0,03 Вт/(м°С). Для удобства и наглядности результаты сведены в три таблицы – по каждому из утеплителей. Толщины материалов – в сантиметрах.

Теперь, чтобы понять, какой материал для теплоизоляции дома лучше, следует сравнивать значения в колонках V, VI и VII. Смотрим, какая теплоизоляция при меньшей толщине обеспечит заданное значение сопротивления теплопередачи.

Пример расчета

На значение теплопередачи влияет плотность материала. В особенности это касается базальтовой ваты и керамзита. Поэтому желательно уточнить фактический показатель утеплителя от конкретного производителя.

В качестве примера расчета возьмем кирпичную стену стандартной толщины 640 мм (двухрядная). Также потребуются другие данные, необходимые для вычисления оптимальной толщины утеплителя:

• Регион – Тула. Для него оптимальный показатель сопротивления теплопередачи (Rн) составляет 4,65 м²*С/Вт.
• Наружный теплоизоляционный слой будет сделан из пенополистирола – K=0,029 Вт/м²*С.

Сначала следует узнать фактическое сопротивление теплопередачи кирпичной кладки:

Исходя из этого, дополнительный слой утепления (Rт) должен компенсировать недостаток сопротивления теплопередачи:

Используя формулу отношения сопротивления теплопередачи к толщине материала, можно рассчитать глубину утеплительного слоя.

То есть в данном случае для обеспечения оптимального энергосбережения необходимо на наружную стену установить слой пенополистирола толщиной не менее 100 мм.

Используя эту методику, можно самостоятельно рассчитать оптимальную глубину теплоизоляционной защиты. Главное, чтобы значения теплопроводности утеплителя совпадали с фактическими.

Конечные расчеты

Наши расчеты подходят к завершению. Остается немного – умножить долю каждого слоя на коэффициент теплопроводности, а результаты сложить. Так, в нашем примере получается:

• брус: 0,26*0,15=0,039;
• минеральная вата: 0,26*0,05=0,013;
• воздух: 0,43*0,03=0,0129;
• кирпич: 0,05*0,85=0,0425.

Суммируем и получаем 0,1074. Следовательно, мы получили, что коэффициент теплопроводности стены составляет 0,1074 Втм*град. Помните, что толщина стены, которую мы рассчитывали, равна не метру, а 40 см, получим коэффициент 0,275. И уже при наличии этого коэффициента мы можем без проблем сориентироваться при выборе системы отопления.

Как видите, расчеты не слишком сложны – их вполне можно совершить за несколько минут при наличии необходимых таблиц. А польза для семейного бюджета от таких подсчетов будет неоценима, когда вы установите и начнете эксплуатировать систему отопления.

Утепление по СНиП, или как снизить расходы на отопление

Почему в одном доме на обогрев 100 м² расходуется 1500 кВт электроэнергии в зимний месяц, а в другом 3000 кВт? Отчего это зависит, помимо системы отопления? Можно ли исправить ситуацию и уменьшить расходы на отопление? Конечно, все в Ваших руках! Для этого надо посчитать теплопотери дома и постараться их минимизировать.

Дом в Сочи и дом в Якутске могут тратить энергию за отопление одинаково в отопительный сезон, при условии, что построены по СНиП 23-02-2003 – строительные нормы и правила для каждого региона, разработанные Министерством регионального развития.

Теплопотери дома

Воздух в доме остывает за счет потери тепловой энергии через ограждающие конструкции, вентиляцию и канализацию.

Основные теплопотери 60-80% идут через ограждающие конструкции.

Давайте проверим, а соответствуют ли толщина ограждающих конструкций вашего дома (наружных стен) нормам строительства для проживания в зимний период. И если нет, то узнаем, как это исправить. А для тех, кто только планирует строительство дома – решить вопрос из чего и какой толщины должны быть наружные стены, чтобы дома было тепло и уютно, и при этом за отопление платить гораздо меньше.

Какие цифры нужны, чтобы посчитать теплопотери стены?

Во-первых, это сопротивление теплопередаче наружных стен для жилых домов(Rreg) – насколько хорошо наружные стены «сохраняют» тепло внутри дома. В каждом регионе он свой, зависит от температуры внутри дома, средней температуры снаружи дома, и количества суток отопительного периода.

Ниже приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче наружных стен Rreg для жилых домов для некоторых городов России:

Во-вторых, коэффициент теплопроводности материала стены λ и его толщина — d. Теплопроводность – это способность материала к теплообмену от его теплой части к холодной. У каждого материала она своя, и отличается довольно значительно.

Так, например, утеплитель из минеральной ваты в 20 см равнозначен по теплоизоляции со стеной из кирпичной кладки в 1,5 метра. Также теплопроводность может меняться в зависимости от их влажности у некоторых строительных материалов.

На это стоит обратить внимание, поскольку в сухом состоянии строительные материалы при расчете теплопроводности ограждающих конструкций не используются, а «нормальные А» и «влажные Б» строительные условия могут существенно отличаться, и можно совершить ошибку. «Влажные» — это не только баня и сауна.

Например, у газобетона в сухом состоянии коэффициент теплопроводности отличается от нормальных условий строительства от 0,03 до 0,16 – в зависимости от плотности. Вроде бы цифры мизерные, но толщина стены уже поменяется значительно: от 15 до 50 см!

Приведем коэффициенты теплопроводности популярных строительных материалов, в зависимости от условий эксплуатации в сравнительной таблице, которую можно скачать по ссылке

Соответствует ли толщина стены нормам по СНиП?

Приведем пример для дома в Нижнем Новгороде, построенного из пустотелого кирпича, плотностью 1300 кг/м³ на цементно-известковом растворе толщиной в 2,5 кирпича – 640 см. Нижний Новгород относится к зоне влажности 2 – «Нормальная», влажностной режим в доме – «нормальный», поэтому коэффициент теплопроводности выбираем из столбика «Б».

Вычислим сопротивление теплопередаче внешней стены дома Rо:

d — толщина материала, м

λ — коэффициент теплопроводности материала, условия А или Б.

Рекомендуемое значение Rreg для Нижнего Новгорода – 3,36 м²х°С/Вт., чему совсем не удовлетворяет наш расчет. В таком доме зимой будет холодно, потребуются более мощные отопительные приборы и счета за оплату будут значительно выше, чем у утепленного дома по СНиП.

Проверим тогда, какой должна быть толщина стены, чтобы она удовлетворяла нормам?

d = Rreg * λ

d = 3,36 * 0,58 = 1,95 м

Вот это стена! Но только такая толщина кирпичной кладки позволит Вам иметь теплый дом. Кирпич обладает очень большой теплопроводностью, и чтобы дом хранил тепло намного дольше, приходиться городить такую стены. Понятно, что мало кто решится возводить такое «бомбоубежище».

Значит будем утеплять стены другим материалом, у которых теплопроводность низкая, а соответственно толщина стены будет намного меньше. Материалов для утепления очень много, плюсы и минусы которых — это отдельная история, а сейчас решим утеплить стену каменной ватой.

Какой толщины выбрать слой ваты? Рекомендуемое значение сопротивления теплопередаче в Нижнем Новгороде 3,36, у нас уже есть стена со значением сопротивления – 1,1. Остается «добрать» 2,26.

Из таблицы теплопроводности материалов берем значение коэффициента для каменной ваты, плотностью 25 кг/м³ – 0,045, и вычисляем какой толщины должен быть утеплитель:

d = 2, 26 * 0,045 = 0,10 м

0,1 метра – 10 см – это минимальная толщина утеплителя, которая позволит сделать дом теплым.

Вывод: утепляем стены дома до требуемых норм СНиП, а также не забываем про пол и потолок, т.к. через них также идут большие теплопотери. Чем больше толщина утеплителя, тем меньше теплопотери, тем меньше энергозатрат придется потратить на обогрев помещения.

Не будем Вас утомлять расчетами, а сразу скажем, что каменной ваты на пол и потолок в качестве утеплителя необходимо минимум по 20 см – для Центральной полосы России. Для Севера – 25-30 см. Тогда Ваш дом будет держать тепло очень долго, расходы на отопление будут радовать, а отопительные приборы будете выбирать не из расчета 1 кВт на 10 м², а, например, КОУЗИ 450Вт на 10м². Почему на такую площадь будет достаточно одного «КОУЗИ», читайте в следующих статьях.

Почему важно правильно рассчитать показатели утепления?

Теплоизоляция устанавливается для сокращения потерь энергии через стены, пол и крышу дома. Недостаточная толщина утеплителя приведет к перемещению точки росы внутрь здания. Это означает появление конденсата, сырости и грибка на стенах дома. Избыточный слой теплоизоляции не дает существенного изменения температурных показателей, но требует значительных финансовых затрат, поэтому является нерациональным. При этом нарушается циркуляция воздуха и естественная вентиляция между комнатами дома и атмосферой. Для экономии средств с одновременным обеспечением оптимальных условий проживания требуется точный расчет толщины утеплителя.

Формула расчета

Для определения требуемой толщины утеплителя необходимо воспользоваться формулой R = δ/λ , где R — суммарное термическое сопротивление слоев конструкции (м2·°С/Вт), δ — толщина утеплителя в метрах, λ − расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя с учетом условий эксплуатации ограждающих конструкций (Вт/(м·°С).

Таким образом, толщина утеплителя будет результатом произведения сопротивления теплопередаче на коэффициент теплопроводности δ = λ*R. В расчете необходимо не забыть учесть термическое сопротивление материала каждого слоя конструкции.

Требуемое значение сопротивления теплопередаче для расчета конструкции (стена + теплоизоляция) можно взять из строительных норм проектирования (ТКП 45-2.04-43-2006), где нормативное значение для жилых помещений равно 3.2 (м2·°С/Вт).

И так, если необходимо утеплить дом из деревянного бруса толщиной 150 мм, применив в качестве теплоизоляционного слоя утеплитель PAROC eXtra (λ = 0,042 — взято из справочных данных производителя, режим эксплуатации Б), необходимо от 3.2 (нормативное сопротивление) отнять термическое сопротивление стены (делим ее толщину 0,15 м на теплопроводность дерева λ = 0,14), получаем термическое сопротивление теплоизоляции, и умножаем результат на теплопроводность PAROC eXtra λ = 0,042:
δ_утепл = (R_норм — R_стены) * λ_утепл = (R_норм — δ_стены / λ_стены) * λ_утепл

В результате получим: (3,2 — 0,15/0,14) * 0,042 = 0,0894 (м). В качестве конечного размера берем ближайший стандартный размер 100 мм.

Отличный калькулятор, позволяющий рассчитать многослойные конструкции для различных помещений, а также произвести расчет вентилируемых фасадов, можно найти здесь.

В плане несущей части, толщина наружной стены индивидуального дома в 25см справится со своей задачей полностью, но у полнотелого кирпича, кроме его превосходных качеств, есть и свои недостатки. Одним из недостатков является хорошая теплопроводность. Говоря коротко, если вы построите дом с недостаточной толщиной наружных кирпичных и без дополнительного утепления, то при отрицательных температурах зимой начнут мокреть стены в доме.

Что в таком случае делать?

Увеличение толщины стены индивидуального строения

Если попробовать увеличить толщину стены, то получится, что она должна быть 0,64м., т.е. в 2,5 кирпича из расчета максимальной температуры зимой -30оС. Учитывая, что удельный вес кирпичной кладки очень большой, под такую стену необходим массивный фундамент под дом, который бы выдержал такую нагрузку, а это огромные затраты, да и сам кирпич не самый дешевый строительный материал.

Использование пустотелого кирпича для кирпичной стены

В кладке можно использовать, так называемый, пустотелый кирпич, который позволит уменьшить толщину стены индивидуального строения за счет пустот, с помощью которых уменьшится ее теплопроводность.

Но такой метод не очень эффективен и позволит сделать стену тоньше примерно на 0,5 кирпича, т.е. толщина все равно будет оставаться огромной (51см).

Использование утеплителя внутри стены индивидуального дома

Использование дополнительного материала для утепления внутри кирпичной стены – идеальный вариант в данном случае, который пользуется огромной популярностью и имеет кучу достоинств. На сегодняшний день, строительство стен дома из кирпича без утеплителя — не целесообразно, и практически в современном строительстве не используется.

Следует помнить, что кирпичную стену не желательно утеплять изнутри дома, а необходимо делать это либо снаружи, либо внутри стены. Толщину и тип утеплителя нужно подбирать изходя из региона проживания. Снаружи кирпичную стену можно, например, утеплить пенополистиролом.

Пирог такой стены выглядит следующим образом:

— наружная часть стены толщиной в 0,5 кирпича, т.е. 12см.
— утеплитель, толщина и тип которого выбирается с учетом климатических условий.
— внутренняя часть стены, для обеспечения несущей способности, из кирпича толщиной в 25см или блоков.

Выбор такого способа возведения кирпичных стен индивидуального дома решит сразу несколько проблем:

— уменьшение затрат на фундамент
— уменьшение затрат на кирпич
— увеличение площади дома, за счет уменьшения толщины стены

Да и вообще, жить в индивидуальном кирпичном доме – одно удовольствие. Такой дом никогда не потеряют своей популярности, потому как, при правильно заложенном фундаменте, такой дом простоит «вечность».