Отопление дома -
ОТОПЛЕНИЕ ДОМА
При покупке автомобиля мы руководствуемся не только его Дизайном и расцветкой, а уделяем внимание и техническим характеристикам, таким, как вид и расход топлива, тип коробки передач, скоростные возможности, легкость в управлении и т.д.
Только недалекий человек скажет: «Да что тут разбираться! Все они одинаковы, оформляйте вон ту, голубенькую». А вот при выборе дома такая ситуация, как ни странно, типична. Важнейшие технико-экономические показатели дома не принимаются во внимание его будущими владельцами. И это в то время, когда благодаря происходящей революции в домостроении разброс в технических характеристиках различных зданий очень велик.
Современный дом — сложное техническое сооружение со множеством технических характеристик. Важнейшим из них является аналог расхода топлива у автомобиля — затраты на отопление в натуральном и денежном выражении. В различных домах они могут отличаться в десятки раз.
Расходы на отопление зависят от теплопотерь дома. Теплопо-тери же зависят от отношения площади наружной поверхности к его объему, которое носит название коэффициента компактности. Чем это отношение меньше, тем меньше потери. Для многоэтажных зданий характерен коэффициент компактности 0,2—0,3, для малоэтажных — 0,5—0,6. Таким образом, у многоквартирного дома при прочих равных условиях за счет разности коэффициентов компактности потери тепла будут меньше, чем у одноквартирного. Отсюда следует, что для достижения той же степени удельной теплоэффективности малоэтажное здание придется утеплять сильнее. Современные теплоизоляционные материалы дают возможность справиться с этой задачей.
Очевидно, тепловые потери дома зависят от физико-географических условий, в первую очередь от суровости зимы. Теплопоте-ри в первом приближении пропорциональны снижению температуры и длительности периода с низкими температурами. Поэтому суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо-дней (ГСОП) — произведением среднего отклонения температуры ниже 18 градусов на среднюю продолжительность в сутках отопительного периода. Временные границы отопительного сезона по российским нормативам (в других странах они могут быть иными) определяются устойчивым переходом среднесуточных температур наружного воздуха через +8°С. ГСОП задается в виде карты с изолиниями либо в виде таблицы с усредненными значениями для районов страны.
В первом приближении теплопотери зданий зимой пропорциональны понижению температур и длительности отопительного периода. Это учитывается таким параметром, как ГСОП -— градусо-сутки отопительного периода. В Росии ГСОП подсчиты-вается как сумма разностей температуры в 18°С и среднесуточных температур для каждого дня за период, когда эти температуры опускались ниже 8°С, причем сумма считается не по конкретному году, а по усредненному по многолетним наблюдениям. Таким образом, затраты на отопление в том или ином географическом районе пропорциональны этому показателю.
В других странах могут быть другие схемы подсчета ГСОП, в том числе в них могут использоваться более одного ГСОПа, например, и «ГСОП наоборот» или «горячий» ГСОП — показатель, характеризующий период, когда может потребоваться охлаждение зданий. Таким образом, ГСОПы различных стран часто разные и поэтому напрямую несопоставимы. Не все авторы об этом знают, и часто в литературе приводятся зарубежные данные по ГСОП и без пересчета сопоставляются с российскими, что вводит в заблуждение как читателей, так и самих авторов, приводя тех и других к ложным выводам.
Например, в Англии в ходу три отопительных ГСОПа с базовой температурой 18,5; 15,5; 10°С, в США дополнительно используется «горячий» ГСОП, который характеризует уже охладительный период. Зная алгоритм подсчета того или иного ГСОПа, можно пересчитать его из одного стандарта в другой, например, в Российский. Так, английский ГСОП для Лондона по базе 18,5°С составляет около 2000, посчитанный же по российским правилам он будет несколько менее 500. Отсюда, в частности, следует, что теплопотери здания в Лондоне будут, при прочих равных условиях, приблизительно в 10 раз меньше, чем в Москве (ГСОП около 5000).
Для России ГСОП равен 4800 в районе Москвы с размахом от 1044 в Сочи до 12045 в Оймяконе. В США аналогичный показатель колеблется (исключая Аляску) от 0 до 3000, в Нью-Йорке — 2200. Для Германии характерны значения 2100 — 2900, В Берлине — 2400, для Швеции — 3400 — 4000, в Стокгольме — 3500, в Гетеборге 3000, в Париже — 1800. Как видно из этих цифр, в США например, вдвое-втрое менее напряженный отопительный сезон, чем среднероссийский. Существуют данные о среднестатистическом потреблении тепла на отопление старых жилищ, в России это 400 — 600 (вероятное среднее 425), в США — 220, в Швеции, Финляндии — 135, в Германии 260 кВтч./м2-год соответственно.
Если эти значения привести к единому, а именно, к среднероссийскому значению напряженности отопительного сезона в 4900 градусо-дней, то получим отопительные расходы в кВтч./м год соответственно: США — 399, Германия — 403, Швеция — 165, Россия — 425. Как видно, все они близки, кроме Швеции, где они в 2,5 раза лучше, чем у остальных. Близкими показателями к США и Германии не стоит, однако, утешаться, поскольку в экономически развитых странах уже приняты серьезные программы по значительному снижению этих показателей. Так, в Германии, например, в 1999 году нормы потребления отопительного тепла для новых зданий снижены до 30—50 кВт-ч./м -год.
До середины 90-х годов в Москве по строительным нормативам сопротивление теплопередаче стен должно было составлять 0,8— 1,2 м -град/Вт; по современным требуется 3 м -град/Вт. В свете современных тенденций этого явно недостаточно. В значительно более теплой Европе уже сейчас нормативные требования подняты в среднем до 5 м град/Вт. И предполагается их дальнейшее поэтапное повышение.
Во многих научных работах указывается на существование предела, выше которого повышать термическое сопротивление ограждающих конструкций (наружных стен и крыши) экономически невыгодно. В отечественной литературе в качестве такого предела обычно указывается 3 м2град/Вт, в Финляндии, например,— 5 м2град/Вт, что уже странно, поскольку, в Финляндии теплее; так, ГСОП для Хельсинки составляет 4200. Тщательный анализ этих работ показывает, что они содержат фактологические и методологические ошибки. Если же их устранить, то теоретический анализ покажет экономическую целесообразность радикального повышения теплозащиты зданий.
Приблизительно 30—40 лет назад появилось много дешевых теплоизоляционных материалов с теплоизоляционными свойствами, значительно лучшими, чем у использовавшихся ранее. Это такие материалы, как минераловата, пеностекло, экструзионный пе-нополистирол и т.д. Расчеты показывают, что при использовании для утепления внешней оболочки здания слоя даже не самых эффективных, но широко применяемых современных утеплителей толщиной в 30—40 сантиметров, при сохранении нормативной величины площади остекления и использовании тепловозвращаю-щих устройств в системе вентиляции, можно достичь для коттеджа в среднероссийских условиях удельного показателя теплопо-требления в 30—40 кВтч./м2год. И это не предельные показатели, а возможный результат использования вполне доступных и недорогих технологий. Как видно, это будет более чем десятикратное улучшение сравнительно со среднероссийским уровнем для многоквартирных домов. Относительно одноквартирных домов кратность сокращения потребления тепла будет еще выше.
НЕОТОПИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ
Дом является единой теплоэнергетической системой, в которой помимо собственно отопления постоянно идет множество энергетических процессов, сопровождающихся выделением тепла. Это работа бытовых приборов и устройств, освещения, отдача тепла горячей водой, нагрев солнцем стен и проходящими через окна лучами предметов интерьера и т.д. И наконец, сами люди и домашние животные выделяют заметные количества тепла. Так, взрослый человек, занятый легким трудом, рассеивает мощность 200—300 ватт, при увеличении физической активности это значение увеличивается многократно. Расчеты позволяют оценить тепловыделение семьи из четырех человек с учетом факторов среднего времени пребывания и характера физической нагрузки в 1—1,5 МВт-час за отопительный сезон.
Тепло рассеивается также осветительными и другими электробытовыми приборами (2-3 МВт-час), горячей водой (2—3 МВт-час), плитой для приготовления пищи (1-1,5 МВт-час), биотуалетом (0.5-1 МВт-час). Солнечное излучение, проходя сквозь окна и нагревая стены, дает в среднем еще несколько МВт-час. Если суммировать эти теплопоступления, то получим порядка 10 МВтчас за отопительный сезон, что примерно равно потребности тепла на обогрев хорошо утепленного дома с удельным показателем теплопо-требления для среднероссийских условий 30-40 кВт-час/м2-год.
Поэтому нет смысла утеплять дом до бесконечности, ибо, переусердствовав, можно столкнуться с необходимостью охлаждения домов даже зимой, когда внутренние тепловыделения заметно превысят теплопотери. Таким образом, достаточно в зависимости от широты местности утеплить дом до такой степени, чтобы его теплопотери в холодный период были в среднем равны внутренним тепловыделениям. Расчеты показывают, что для средней полосы России для этого достаточно слоя менее чем полуметровой толщины какого-либо из эффективных современных теплоизоляционных материалов с показателем удельной теплопроводности 0.04-0.05 Вт/м-градус (уже известны и более хорошие показатели). Следовательно, для жилищ повсеместно кроме, возможно, отдельных районов с экстремально суровым климатом, в принципе отпадает необходимость в системе отопления. Это может внести заметные изменения в облик жилых районов городов, поскольку до сих пор сооружения и сети систем централизованного теплоснабжения оказывали влияние на их формирование.
Погодные условия, определяющие теплопотери, и внутренние тепловыделения дома подвержены колебаниям во времени. Из-за их непостоянства может чрезмерно изменяться и температура внутри дома. Для компенсации этих периодически возникающих отклонений можно применить систему терморегулирования, выполненную как маломощная система отопления эпизодического действия. Питаться теплом она может от сезонных или краткосрочных тепловых аккумуляторов, заряжаемых от возобновляемых источников энергии.
Система обогрева энергоэффективного дома может содержать основную и вспомогательную системы. Основная обычно состоит из солнечного теплового коллектора и теплоаккумулятора, запасающего тепло по суточным и сезонным циклам. Конструкции аккумуляторов тепла могут быть различными: в Швеции и Норвегии предпочитают твердотельные аккумуляторы под домом; в США и Германии — жидкостные внутри дома (на 200 кв. м жилой площади — около 15 тонн воды). Обычно такие системы стоят недешево, однако их можно сделать менее дорогими, используя местные материалы и комплектующие.
Чтобы в пассивном доме температура не колебалась чрезмерно, что может быть при сильных колебаниях наружной температуры, может потребоваться система термокоррекции. Однако считать ее системой отопления было бы неправильно ввиду ее маломощности и лишь эпизодического использования. Система отопления при резком похолодании увеличивает свою мощность, система коррекции температуры лишь временно включается.
Вспомогательной отопительной системой может быть камин или небольшая печь медленного горения. Фирма ISOMAX использует в качестве вспомогательной или «аварийной» систему электроподогрева пола с использованием ночного электричества мощностью 2 Вт/кв. м жилой плошади. Еще одним вариантом является система слабых электронагревателей, расположенная по контуру окон, кроме основной функции подогрева дома она дополнительно выравнивает радиационную температуру в районе окон
ЛУЧИСТАЯ СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ
Передача тепла между телами может осуществляться как контактным путем, так и излучением. Например, с его помощью Земля получает энергию от Солнца, и греются сидящие вокруг костра люди, поскольку горячий воздух уходит вверх и в согревании не участвует. Любой нагревательный элемент отдает тепло обоими способами. Количественное соотношение между ними может быть различным. Воздушное отопление является наименее комфортным видом отопления, хотя технически оно легче всего осуществимо. Самым комфортным является лучистое, но оно же и самое дорогое. Промежуточное положение занимает наиболее распространенное батарейное отопление. Считается, что отопительные батареи отдают около 20—40% тепла излучением, а остальные 60—80% — конвекцией, за что и называются еще конвекторами. Нагревательные приборы называются конвекторными или лучистыми в зависимости от того, какой тип теплоотдачи у них преобладает. Соответственно и системы отопления делят на конвективные и лучистые. Считается, что нагревательный прибор или система отопления относятся к лучистому типу, если они более половины тепловой энергии отдают через излучение.
По оценкам специалистов, в обычном состоянии около половины всего теплообмена человека с окружающей средой происходит посредством испускания и поглощения теплового излучения. Оставшаяся половина приходится на конвективный теплообмен с воздухом и на потерю скрытой теплоты с влагой выдыхаемого воздуха. Организм человека различно реагирует на лучистое и контактное тепло. Специально проведенные эксперименты показали, что человек гораздо более чувствителен к температуре окружающих поверхностей, чем к температуре воздуха вокруг него. Было установлено, что он «любит» лучистое тепло и «прохладно» относится к контактному. Он ощущает тепловой комфорт, когда окружен теплыми поверхностями и прохладным воздухом, и, напротив, положение, когда воздух теплый, а поверхности холодные ощущается как дискомфортное. Именно поэтому, если в остывшем зимой доме быстро прогреть воздух (что несложно), ощущения тепла все равно не будет, пока не прогреются стены и предметы интерьера, на что уходит много времени. Так же находящийся зимой напротив окна человек ощущает, что на него «веет холодом», даже если никакого сквозняка нет. Это происходит из-за того, что тело в направлении окна тепло излучает, а в ответ такого же тепла не получает, поскольку относительно холодное оконное стекло, в отличие от нагретых стен и мебели, излучает меньше тепла.
Поэтому низкотемпературные лучистые системы отопления считаются наиболее комфортными и гигиеничными, но они же и самые дорогие, поэтому в индустриальном строительстве применяются реже. В то же время ранее широко применявшееся печное отопление относится к низкотемпературному лучистому типу. Камин также отдает тепло по преимуществу излучением. Однако его тепло имеет более высокую температуру, что с точки зрения гигиены хуже.
Лучистые отопительные приборы могут быть высоко- и низ-котемпёратурными. К высокотемпературным относится, например, камин, к низкотемпературным — напольное и печное отопление. При температуре отопительного прибора выше 70°С, на его поверхности начинает разлагаться органическая пыль, всегда присутствующая в воздухе помещения. При этом выделяются неприятные запахи. Поэтому строительные нормы ограничивают температуру отопительных приборов 65—70°. Кроме того, у медиков имеются подозрения, что высокотемпературное тепловое излучение при длительном воздействии может вызывать некоторые заболевания, в том числе рак кожи. Таким образом, печное и напольное отопление предпочтительнее каминного, как с гигиенических позиций, так и с точки зрения эффективности использования топлива.
Небольшую печь можно рекомендовать для всех домов, в том числе, пассивных, в них она будет выполнять роль страховочного теплогенератора на случай каких-либо аварий или экстремально низких температур. В печь дополнительно можно вмонтироватъ термоэлектрогенератор, превратив ее в домашнюю резервную теплоэлектростанцию. Много электроэнергии таким образом получить не удастся, но для энергоэкономных освещения и некоторых бытовых приборов этого хватит. В энергоэффективных домах печь обычно делают элементом массивного каменного или кирпичного «сердечника» дома, повышающего его тепловую инерцию. В этом случае каменный сердечник одновременно служит и теплоак-кумулятором. Таким образом, печь возвращается в современные высокотехнологичные жилища. Неслучайно слово беспечный произошло от характеристики хозяина, не имеющего печи. При лучистом напольном отоплении требуется более низкая температура теплоносителя, чем при конвективном (30—40°С против 70—80°С). Эта особенность оказывается весьма выгодной при теплоснабжении от тепловых насосов, поскольку эффективность последних ощутимо растет с уменьшением разности температур, на которой они работают.
В доме низкого энергопотребления требуется менее мощный котел и система распределения тепла. Можно обойтись вовсе без радиаторов, конвекторов и прочих отопительных панелей и связанных с ними неудобств и потерями полезной площади. Вместо них достаточным будет пропустить по периметру внешних стен гладкую металлическую трубу увеличенного диаметра. Это, в том числе, повысит равномерность прогрева помещении. Другой вариант состоит в устройстве подогреваемого водяными полимерными трубами пола, но не всего, а опять же по периметру внешних стен. Все приведенные схемы отопления энергоэффективного дома являются лучистыми или по преимуществу лучистыми, а, следовательно, комфортными. В пассивном доме, не нуждающемся в отоплении, характер теплообмена будет также аналогичен тому, который устанавливается при лучистом отоплении. Тепловой дискомфорт и комфорт в плохо и хорошо утепленном доме.
ЛЕТНИЙ ЭФФЕКТ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Эффект от хорошей теплоизоляции будет противоположным летом и зимой. Если зимой она будет способствовать сохранению тепла в доме, то летом, наоборот, сохранению прохлады. Теплоизоляция зимой будет препятствовать остыванию, летом — перегреву. Это особенно важно в жарком климате, где перегрев дома летом более насущная проблема, чем охлаждение зимой. Так, в США на летнее охлаждение домов тратится больше энергии, чем на зимнее отопление. Таким образом, термоизоляция дома способствует сбережению энергии и в южных районах, позволяя отказываться от энерго- и капиталозатратных систем кондиционирования.
Отопление дома -
