Франк Нипель

Мастеру на все руки

Нипель Ф. Мастеру на все руки. Кн. 2. Пер. с нем. под ред. канд. техн. наук Г. В. Севериновой. М.: Мир, 1993.
Перевод Г. Г. Гречушниковой (гл. 14, 17).

Глава 17


ТЕПЛО В ДОМЕ

с. 125 В этой главе рассмотрены вопросы потребления энергии в домашнем хозяйстве, возможные источники энергии, их преимущества и недостатки, а также способы экономии энергии при обогреве помещений отоплением и электроприборами. Чтобы сделать понятной зависимость между источниками, потребителями и потерями энергии, которые проявляются главным образом в форме тепловых потерь, приводятся объяснения наиболее часто используемых специальных понятий. Меры по экономии энергии часто связаны с проблемами влажности воздуха.

Энергия — это способность выполнять работу. Она может выступать в различных формах, например, в виде энергии движения, тепловой или электрической энергии. Одни виды энергии можно превращать в другие, например, тепло в электричество.

Почти любой вид энергии, используемой людьми, первоначально происходит от Солнца. Оно представляет собой колоссальную ядерную электростанцию, в которой водород превращается в гелий, при этом огромное количество энергии выделяется в виде электромагнитного излучения. На Землю попадает только исчезающе малая доля процента.

Это излучение, превращаясь на поверхности Земли в тепло, дает жизнь растениям, животным, людям. Часть энергии излучения путем фотосинтеза аккумулируется в растениях. При этом из воды и окиси углеводорода образуются органические соединения. Часть накопленной энергии расходуется живыми организмами. Этот процесс называют сгоранием, потому что в основном здесь происходят химические реакции, которые имеют место в пламени, а именно, разложение органических соединений с выделением тепла.

Солнечная энергия, накопленная в течение миллионов лет в растениях и других органических веществах, содержится в угле, нефти, газе. Эта энергия, к сожалению, будет израсходована человечеством в течение нескольких столетий или даже десятилетий. Поэтому люди должны экономно и эффективно использовать запас энергии, если они хотят избежать будущих энергетических кризисов и возрастающего загрязнения окружающей среды. Им следует отыскивать новые экономически чистые источники энергии длительного пользования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для использования энергии данного источника ее следует превратить в тепло или электричество. При этом превращении часть энергии теряется. Дальнейшая потеря энергии происходит при передаче тепла или электричества от места производства к месту потребления.

И наконец, происходит потеря энергии при ее потреблении за счет нежелательного рассеивания тепла в окружающей среде. Этому процессу противодействуют меры по теплозащите. Ошибки в проектировании и реализации систем тепловой защиты ведут к неблагоприятному микроклимату с. 126 помещений и даже разрушению зданий под действием влажности.

Превращение энергии

При превращении энергии в удобную для использования форму всегда происходят потери; чем они меньше, тем выше коэффициент использования энергии (рис. 1).

Рис. 1. Потери при превращении первичной энергии в полезную.

Первичной энергией называют энергию, содержащуюся в исходных энергоносителях, например, энергию угля, нефти, ветра. Потери при превращении этой энергии в полезную определяются техническим уровнем оборудования и могут значительно различаться (например, потери тепла на электростанциях).

Вторичная энергия — это энергия, полученная потребителем, например, энергия горячей воды, электрического тока. При превращении первичной энергии во вторичную, особенно при генерировании электрического тока, имеют место очень большие потери энергии.

Полезной называют энергию, которую использует потребитель, например, свет, тепловую или механическую энергию. При превращении вторичной энергии в полезную потребитель имеет возможность сделать потери минимальными.

Дополнительной называют энергию, истраченную на превращение вторичной энергии в полезную. Для этого используют установки или устройства, которые требуют питания в процессе превращения энергии, например, электрический ток для работы компрессора.

Передача тепла

Большую часть потребляемой в домашнем хозяйстве энергии используют в виде тепла для отопления, варки, водоподогрева. Вторичная энергия чаще всего преобразуется в тепло. При этом основное значение приобретает передача тепла.

Между двумя телами с различными температурами всегда происходит передача тепла, которая продолжается до тех пор, пока температуры не выровняются. Во многих случаях передача тепла от источника к нагревательному объекту желательна. Передача тепла помещения более холодной окружающей среде обычно нежелательна. Чем эффективнее вторичная энергия служит источником тепла (например, при отоплении жидким топливом) и чем медленнее тепло уходит из помещения в более холодное окружающее пространство, тем меньше энергии расходуется на поддержание требуемых условий.

Передача тепла может происходить путем излучения, конвекции и теплопроводности.

Излучение представляет собой видимые (коротковолновые солнечные лучи) и невидимые (длинноволновые инфракрасные лучи, излучение кафельных печей) электромагнитные волны. Волны пронизывают воздух без ощутимого прогрева. Попадая на материальное тело, часть тепловых лучей отражается, а другая часть поглощается и тем самым превращается в тепло. Чем темнее предмет, тем больше лучистой энергии может быть поглощено.

Тепловое излучение солнца можно использовать непосредственно различными способа ми. Оконное стекло пропускает коротковолновое световое излучение, поэтому солнечные лучи могут существенно прогревать помещение, что желательно зимой и нежелательно летом. Отдача тепла помещению системой отопления также может происходить преимущественно излучением, например в случае кафельных печей или обогреваемого пола. Человек чувствует тепло излучения как нечто приятное, так что даже при очень низких температурах воздуха может чувствовать себя комфортно, например, принимая солнечные ванны во время отдыха на лыжах при температуре воздуха значительно ниже нуля. Чем больше доля излучения в отоплении помещения, тем ниже может поддерживаться температура помещения.

Конвекция представляет собой перенос тепла от одного места к другому с помощью движущейся среды, например, воды или воздуха. Конвекция тем интенсивнее, чем больше разница температуры между источником тепла, с. 127 теплоносителем и объектом, воспринимающим тепло.

Конвекция основывается на том, что удельная масса нагретых жидкостей и газообразных материалов меньше, чем холодных. В соответствии с принципом силы тяжести горячий воздух легче холодного и поднимается вверх, холодная вода тяжелее горячей и опускается вниз. Если желательна более интенсивная теплопередача, она может быть ускорена вентилятором или насосом (вынужденная конвекция). Так как воздух является плохим проводником тепла, теплопередача от наружной стены к спокойному наружному воздуху происходит относительно медленно. При ветре передача тепла ускоряется, так как он непрерывно отводит нагретый воздух и подводит охлажденный (это напоминает проникновение холодного воздуха сквозь свитер крупной вязки; в подобном случае ищут место, защищенное от ветра, или улучшают теплоизоляцию, выбирая другую, менее проницаемую одежду). Однако испарение под воздухонепроницаемой оболочкой быстро повышает влажность.

Теплопроводность — это способность твердого вещества передавать тепло. При этом тепловая энергия передается непосредственно от молекулы к молекуле без их перемещения. Нагревая деревянный и железный стержни, можно установить, что они проводят тепло по-разному. Хорошим проводником тепла является металл, средним — дерево, плохим — воздух. Теплопроводность различных материалов можно сравнивать, пользуясь величиной коэффициента теплопроводности.

Теплопроводность играет главную роль в потерях тепла помещениями. Если при строительстве применять материалы, хорошо проводящие тепло, то потери тепла и, следовательно, расходуемой на отопление энергии будут высоки.

Находясь в контакте с материалами, обладающими высокой теплопроводностью, человеческое тело быстро теряет тепло, поэтому на бетонном полу легко остывают ноги.

Испарение — это превращение жидкости в газообразное состояние; для такого превращения необходимо очень много тепла: так, для испарения воды требуется в пять раз больше энергии, чем для нагрева ее до точки кипения. Эта энергия аккумулируется в молекулах водяного пара. Энергия, необходимая для испарения, сообщается источником тепла или воздухом. Так, в испарительном отсеке холодильника находится криогенная жидкость, которая кипит уже при отрицательной температуре и отнимает таким образом тепло от холодильной камеры. По этому же принципу функционирует водяной насос. Испарение происходит и при температурах ниже точки кипения. Если, например, наружная стена намокла от дождя и вода испаряется, то стена охлаждается. Ветер существенно ускоряет этот процесс.

Потери тепла

Нежелательная передача тепла происходит через наружные поверхности конструкций дома в окружающую среду. Чем быстрее она идет, тем большее количество тепла снова должно быть восполнено отоплением и тем выше расход энергии на обогрев.

Для расчета или измерения этих потерь используют коэффициент теплопроводности и коэффициент теплопередачи. Потери тепла зависят от теплопроводности использованных строительных материалов. В свою очередь теплопроводность зависит от плотности материалов. Например, железо имеет высокую плотность, дерево — низкую. Материалы с воздушными включениями проводят тепло хуже, чем однородные материалы. Низкая теплопроводность конструкций дома уменьшает расход энергии на отопление.

Коэффициент теплопроводности (рис. 2) используется для сравнения различных строительных и изоляционных материалов, так как он показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 поверхности материала толщиной 1 м при разнице температур поверхностей в 1 Кельвин (это соответствует 1° C). Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем ниже потери тепла при одной и той же толщине материала и одинаковых климатических условиях.

При увлажнении строительного материала его теплопроводность увеличивается, поэтому проникновение влаги в такой материал нежелательно. Коэффициенты теплопроводности различных строительных и изоляционных материалов представлены в таблицах гл. 7 и 14.

Коэффициент теплопередачи (коэффициент k) (рис. 2) зависит от толщины материала. На практике нет строительных конструкций, которые имеют размер точно 1 м, поэтому при расчете потерь тепла необходимо исходить из фактической толщины материала.

Процесс потери тепла состоит из трех стадий: передачи тепла от источника к внутренней поверхности строительного элемента; передачи тепла от внутренней поверхности к наружной; передачи тепла от наружной поверхности к окружающей среде. Первый и третий процессы передачи тепла зависят соответственно от циркуляции воздуха внутри помещения и скорости ветра снаружи, тогда как в непрерывной среде образуется с. 128 изолирующий слой воздуха, который сильно замедляет теплопередачу. Чем сильнее ветер, тем быстрее происходит теплоотдача. Весь этот процесс в целом характеризуют коэффициентом теплопередачи k, показывающим, какое количество тепла проходит через 1 м2 поверхности материала определенной толщины за 1 ч при разнице температур поверхности 1° С. При этом движение воздуха внутри помещения и скорости ветра снаружи осредняются. Вот почему значение коэффициента теплопередачи является умозрительным. Действительные потери тепла строительных элементов могут быть существенно выше, чем расчетные (в незащищенных местах) или существенно ниже (в защищенных местах).

Рис. 2. Графическое представление процесса теплопередачи.

Кроме того, коэффициент теплопередачи для упрощения расчетов обычно принимают одинаковым для южных и северных стен, не учитывая получения тепла первыми за счет солнечного излучения и изменения при этом коэффициентов теплопередачи.

Поэтому расчетами экономической эффективности, опирающимися на табличные величины коэффициента k, следует пользоваться с осторожностью. Изоляционные свойства северной стены вполне могут оказаться эффективнее расчетных, а для южной стены — чаще всего нет.

Значения коэффициента теплопередачи обычно даются усредненными для отдельных строительных элементов, таких, как наружные стены, окна и др. Среднее значение коэффициента k после устройства теплоизоляции не должно превышать определенного значения. Это допустимое правилами значение может быть достигнуто и без теплоизоляции, если применяются строительные материалы с низкой теплопроводностью. В случае сомнений расчеты необходимо передать на экспертизу, так как для определения средних значений коэффициентов теплопередачи строительных конструкций существуют различные способы, которыми трудно воспользоваться неспециалистам.

Теплоизоляция, аккумулирование тепла

В связи с аккумулированием энергии теплоизоляционные свойства строительных конструкций часто улучшаются, чем пренебрегают в расчетах.

Под теплоизоляцией здесь следует понимать все конструктивные меры, препятствующие отводу тепла из помещения, в котором они осуществлены. Теплоизоляционные свойства строительных конструкций обычно используют плохую теплопроводность воздуха. Чем больше воздушных включений содержит строительный материал, тем выше его изолирующие свойства, поэтому следуют эмпирическому правилу: чем меньше удельная масса строительного материала, тем выше его теплоизоляционная способность. Теплоизоляционные характеристики конструкций оценивают по коэффициенту теплопроводности.

При обогреве помещения только небольшая часть подведенного тепла передается воздуху помещения, большую же часть аккумулируют стены, потолки, полы, а также оборудование. Поэтому после отключения отопления еще долгое время в помещении остается тепло, которое медленно отдается воздуху.

Если в помещении нет достаточно больших аккумулирующих масс, то оно может быть очень быстро нагрето, но так же быстро и остывает. Климат в помещении определяется почти исключительно нагревом воздуха. Вот почему интенсивное теплоизлучение замыкающих помещение поверхностей нежелательно: это может привести к неблагоприятному климату в помещении.

Наружные стены, которые долгое время освещает солнце, также аккумулируют тепло и ночью медленно отдают его как внутрь, так и наружу. Теплоизоляция препятствует восприятию такого тепла.

Влажность воздуха

Все элементы здания должны быть защищены от влаги, иначе они могут быть разрушены из-за выветривания, гниения или с. 129 ржавчины. Влага проявляется в виде дождя и снега для наружных стен и крыш, влажной земли для фундаментов, кладки стен и подвалов, в виде влажности воздуха для внутренних стен.

Воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара, который может проникать в элементы здания или осаждаться в холодных углах помещения. Вследствие этого происходит пропитывание влагой, заплесневение, гниение и разрушение строительных конструкций. Разрушающему действию влажности воздуха можно противостоять, применяя подходящие строительные материалы, их соответствующую обработку и вентиляцию.

Абсолютная влажность воздуха показывает, какое количество водяного пара содержится в единице объема воздуха, например, 2 г водяного пара в 1 м3 воздуха помещения.

Воздух при определенной температуре может содержать не более определенного количества водяного пара. При большем содержании влаги образуется туман (водяной пар), который оседает в виде воды на холодных поверхностях, таких, как окна или углы помещений (конденсационная вода, конденсат).

Теплый воздух поглощает больше влаги, чем холодный. Один кубический метр воздуха помещения может содержать при температуре 0° C максимально 4,8 г водяного пара, при температуре +10° C уже 9,4 г, при +20° C даже 17,3 г. Если воздух насыщен водяным паром, то его относительная влажность составляет 100 %. Относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха водяным паром при данной температуре.

Относительная влажность воздуха играет важную роль в создании комфортных условий. Наиболее благоприятно человек чувствует себя при относительной влажности воздуха от 40 до 60 %. Если относительная влажность ниже, то это делается заметным из-за першения в горле или высыхания слизистой оболочки. Более высокая влажность усугубляет температурный эффект жары или холода.

Температура сухого воздуха в помещении может быть более низкой для обеспечения комфортных условий; при этом экономятся и расходы на отопление.

Относительная влажность воздуха при различных температурах
(при абсолютной влажности содержится 2 г водяного пара в 1 м3 воздуха)
Температура, ° C Относительная
влажность
воздуха, %
–7 100
0 50
+10 25
+20 13

Образование конденсата зависит от температуры в различных частях помещения. Если насыщение водяным паром происходит у поверхности стен, где относительно более низкая температура, то там осаждается влага, причем водяной пар превращается в мелкие капли. Они поглощаются материалом стены и снова возвращаются в помещение, когда влажность воздуха снижается. Таким образом, поверхность стен действует как регулятор влажности воздуха, прежде всего в кухнях и в ванных комнатах.

Однако зимой из-за повышенной конденсации влажность может привести к повреждениям, если поверхности стен не успевают высохнуть. Происходит это главным образом в углах помещений, образуемых наружными стенами, где температуры самые низкие. Повреждения обнаруживаются чаще всего в виде черных пятен на обоях или стенах (грибковая плесень). Решить эту проблему можно частым проветриванием, потому что более холодный воздух, после того как он нагреется в помещении, может принять еще очень много влаги. Для этого он должен иметь доступ к заплесневелым местам, так что мебель не должна стоять непосредственно у холодных стен. Чем больше влаги скапливается в помещении, тем чаще оно должно проветриваться. Чем холоднее наружный воздух, тем быстрее заканчивается процесс проветривания. При этом тепло почти не расходуется, потому что сам воздух аккумулирует только немного тепла, а влажные элементы здания существенно лучше проводят тепло, чем холодные. Однако охлаждению стен следует препятствовать, поэтому проветривание должно составлять от 5 до 10 мин. В более холодных помещениях, например спальнях, может требоваться также повышение температуры воздуха.

Так как конденсация воды в основном зависит от температуры поверхности внутренних стен, проблема решается, как правило, с помощью наружной изоляции. На этапе проектирования эту проблему можно решить путем выбора строительного материала с низкой теплопроводностью.

Диффузия водяного пара через стену происходит вместе с потоком тепла. Различные влажности воздуха внутри и снаружи помещения имеют такую же тенденцию к выравниванию, как и различные температуры. Этот процесс диффузии водяного пара зимой направлен изнутри наружу и играет определяющую роль в возникновении повреждений из-за влажности. Так как проникновение водяного пара наружу сопровождается его сильным охлаждением и конденсацией в толще стены, следует с. 130 опасаться пропитывания влагой и повреждений строительных конструкций из-за мороза.

Особое внимание следует уделять диффузии водяного пара при выполнении теплоизоляционных работ, так как при этом происходит изменение диффузионных характеристик стен.

Различные строительные материалы по-разному проводят не только тепло, но и влагу, оказывая большее или меньшее сопротивление процессу проникновения водяного пара. В многослойных конструкциях, например, при теплоизоляции, всегда может возникнуть проблема, если составляющие ее материалы обладают сильно различающимся сопротивлением процессу проникновения водяного пара. Сопротивление проникновению пара характеризуется коэффициентом сопротивления диффузии. Коэффициенты сопротивления диффузии для изоляционных материалов приведены в гл. 7, а для строительных материалов — в гл. 14. Чем меньше величины этих коэффициентов, тем выше проницаемость материалов для водяного пара.

Например, бетон плохо пропускает водяной пар, а минеральная вата почти ему не препятствует. Если минеральная вата применяется для устройства внутренней теплоизоляции, она позволяет водяному пару проникать до стены. Если пар достигает бетонной стены, которая из-за внутренней изоляции является очень холодной, то влага может конденсироваться; в таком случае необходимо использовать пароизоляцию, например, алюминиевую фольгу.

Не возникает проблем со строительными конструкциями, у которых материал, пропускающий пар, находится на более холодной в данном случае на наружной стороне (рис. 3).

Рис. 3. Диффузия водяного пара в различных строительных материалах и конструкциях стен.
1 — кирпичная кладка со средним сопротивлением тепловой диффузии; 2 — бетонная стена с высоким сопротивлением тепловой диффузии; 3 — теплоизоляционный материал с очень низким сопротивлением диффузии (например, минеральная вата); 4 — теплоизоляционный материал с очень высоким сопротивлением тепловой диффузии (например, полистирол, полиуретан); 5a — парозащита; 5b — паронепроницаемость, 6—8 — внутренняя изоляция: 6 — неудачная конструкция (бетонная стена не может отводить влагу, а изоляционный материал проницаем, вследствие чего образуется конденсационная вода, которая впитывается строительной конструкцией); 7 — защита от водяного пара исключает эту проблему; 8 — удачная конструкция стены (пробка и кирпич обладают одинаковым сопротивлением диффузии водяного пара); 9—11 — наружная изоляция: 9 — неудачная конструкция стенки кирпич / пенопласт (на границе может скапливаться влага); 10 — удачная конструкция стены (кирпич / минеральная вата); 11 — фасад, вентилируемый сзади (влага отводится воздухом).

«Дышащими» называются стены с теплоизоляцией, способной поглощать или отдавать влагу и тем самым препятствовать ее конденсации. Понятие «дышащей стены» вовсе не означает, что через стену происходит заметный воздухообмен. Хорошие с. 131 характеристики воздухообмена имеют нелакированное дерево, гипсокартонные плиты и многие минеральные штукатурки, если они не покрыты непроницаемыми красками и не оклеены герметичными для пара обоями. Если в конструкции стен есть элементы, препятствующие выходу влаги наружу, то, чтобы создать в помещении приятный климат, нужно этот недостаток компенсировать вентиляцией. Вот почему для любого помещения полезно, чтобы его стены были активно дышащими. Поэтому не следует, например, ванные облицовывать плиткой до потолка.