Леонид НАГОРНЫЙ
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТТЕДЖА. Сегодня многие семьи выбирают загородный дом как место постоянного проживания или круглогодичного отдыха. Однако его содержание, и в особенности оплата коммунальных услуг, довольно затратно. Одна из наиболее значительных статей расхода для любого владельца — это отопление.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Расходы на отопление дома могут составлять гораздо больше половины стоимости его содержания в холодное время года и достигают порой десятков тысяч рублей. Однако при грамотном подходе к теплоизоляции сумму можно существенно сократить. Это касается и новостроек, и домов, прослуживших хозяевам не одно десятилетие.
Собственно, отапливать дом нужно для того, чтобы постоянно поддерживать в нем комфортную температуру независимо от того, что творится на улице. При этом необходимо учитывать теплопотери и через ограждающие конструкции, и через вентиляцию, так как тепло уходит вместе с нагретым воздухом, взамен которого поступает чистый, но охлажденный. Также незначительное количество тепла выделяют люди, находящиеся внутри, бытовая техника, лампы накаливания и т. п.
Схематично тепловой баланс дома можно представить в виде таблицы, где теплопотери скомпенсированы обогревом помещений различными источниками тепла.
Теплопотери: через стены, кровлю, пол, двери и окна, вентиляцию
Обогрев: система отопления, тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома
Чтобы понять, сколько тепла мы должны получить от своей системы отопления и какую сумму денег на это придется потратить, попробуем оценить вклад каждого из прочих факторов в тепловой баланс на примере расположенного в Московской области кирпичного двухэтажного дома с общей площадью помещений 150 кв. м. Для упрощения вычислений принимаем размеры коттеджа в плане равными примерно 8,7 ´ 8,7 м, с двумя этажами, каждый высотой по 2,5 м. Толщина стен — два кирпича. Подобные дома в 90‑е годы в Подмосковье возводились тысячами. (Примерно такой изображен и на прилагаемой фотографии). Автор статьи знаком с классическими, безупречно точными теплотехническими расчетами, использующими время отопительного периода. И тем не менее для наглядности был выбран заведомо простой пример, не претендующий на академическую точность. Однако, с другой стороны, следуя предложенному алгоритму, вы сможете самостоятельно посчитать и ориентировочно представить тепловой баланс вашего коттеджа. А это, в свою очередь, позволит оптимизировать расходы, связанные с эксплуатацией загородного дома.
ТЕПЛОПОТЕРИ ЧЕРЕЗ КРОВЛЮ, СТЕНЫ, ПОЛ…
Интенсивность теплопотерь определяется двумя факторами: разницей температур внутри и снаружи дома и сопротивлением его ограждающих конструкций теплопередаче. Разделив разницу температур Dt на величину сопротивления теплопередаче Ro стен, кровли, пола, окон и дверей и умножив на площадь S их поверхности, можно вычислить интенсивность теплопотерь Q:
Q = (Dt / Ro) ´ S.
Разница температур Dt — величина непостоянная, она меняется от сезона к сезону, в течение дня, в зависимости от погоды и т. д. Однако задачу упрощает то обстоятельство, что нам необходимо оценить потребность в тепле суммарно за год. Поэтому для приближенного расчета мы вполне можем использовать такой показатель, как среднегодовая температура воздуха для выбранной местности. Для Московской области, по многолетним данным, она изменяется от 3,7 до 4,7 °C. Предлагаем принять почти «худший» вариант — 3,8 °C.
Если считать комфортной температурой в доме 21°C, то наша усредненная разница составит
Dt = 21 °C –3,8 °C = 17,2 °C.
Тут следует оговориться, что во многих пассивных домах, сооруженных в Западной Европе, оптимальной считается температура 17–18 °C. Для наших соотечественников этого, согласитесь, маловато. Итак, приступаем к расчету.
Стены. Площадь стен нашего дома (два квадратных этажа 8,7 ´ 8,7 м высотой 2,5 м) будет примерно равна 175 кв. м. Однако из этого нужно вычесть площадь окон и дверей, для которых мы рассчитаем теплопотери отдельно. Предположим, что входная дверь у нас одна, стандартного размера 900´ 2 000 мм, а окон — 16 штук (по два на каждой стороне на обоих этажах) размером 1500´1 500 мм. Суммарная площадь окон и дверей составит 37,8 кв. м, а оставшаяся площадь кирпичных стен — 137,2 кв. м.
Величина сопротивления теплопередаче стены толщиной в два кирпича равна 0,61 м2 ´ °C / Вт. Для простоты пренебрежем сопротивлением теплопередаче слоя штукатурки, покрывающей стены изнутри. Таким образом, тепловыделение всех стен дома составит
Qстен = (17,2 °C / 0,61 м2 ´ °C / Вт) ´ 137,2 м2 = 3,868 кВт.
Кровля. Для простоты расчетов будем считать, что сопротивление теплопередаче кровельного пирога равно сопротивлению теплопередаче слоя утеплителя. Для легкой минераловатной теплоизоляции толщиной 50 мм, ранее применяемой для утепления кровель, оно примерно равно 1,35 м2 ´ °C / Вт. Сопротивлением теплопередаче чердачного перекрытия пренебрежем — допустим, что в доме есть мансарда, которая сообщается с другими помещениями, и между всеми ними тепло распределяется равномерно.
Площадь двускатной кровли при уклоне в 30° составит
Sкровли = 8,7 ´ 4,35 ´ 2 / сos 30°= 88 м2.
При этом ее тепловыделение составит
Qкровли = (17,2 °C / 1, 35 м2 ´ °C / Вт) ´ 88 м2 = 1,12 кВт.
Пол. Сопротивление теплопередаче деревянного пола примерно 1,85 м2 ´ °C / Вт. Произведя аналогичные расчеты, получим тепловыделение
Qпола = (17,2 °C / 1,85 м2 ´ °C / Вт) ´ 8,72 м2 = 0,7 кВт.
Двери и окна. Их сопротивление теплопередаче (современные теплотехнические требования отражены в МГСН 2.01‑99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению») приблизительно равно соответственно 1,2 м2 ´ °C / Вт (входная дверь) и 0,55 м2 ´ °C / Вт (обычный стеклопакет).
В итоге получим тепловыделение:
Qдвери = (17,2 °C / 1,2 м2 ´ °C / Вт) ´ 1,8 м2 = 0,025 кВт;
Qокна = (17,2 °C / 0,55 м2 ´ °C / Вт) ´ 36 м2 = 1,125 кВт.
Вентиляция. Специалисты считают, что для комфортного проживания необходимо, чтобы весь воздух в помещении менялся один раз за один час. То есть коэффициент воздухообмена должен быть равен 1. Таким образом, при высоте потолков 2,5 м это примерно 2,5 куб. м воздуха в час на квадратный метр площади. Воздух необходимо нагреть от уличной температуры (3,8 °C) до температуры помещения (21 °C).
Удельная теплоемкость воздуха — количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества на 1 °C, — равна примерно 1,01 кДж / кг ´ °C. При этом плотность воздуха в интересующем нас диапазоне температур составляет примерно 1,25 кг / м3, то есть масса одного его кубометра равна 1,25 кг. Таким образом, для нагрева воздуха на 21 –3,8 = 17,2 °C на каждый квадратный метр площади на один час потребуется
1,01 кДж / кг °C ´ 1,25 кг / м3 ´ 2,5 м3 ´ 17,2 °C = 54,3 кДж.
Для дома площадью 150 кв. м это будет
54,3 ´ 150 = 8 145 кДж = 2,26 кВт.
Подведем итог расходов:
Теплопотери
Разница температур, °C
Площадь, кв. м
Сопротивление
теплопередаче,
м2 ´ °C/Вт
Теплопотери, кВт
стен
17,2
175
0,61
3,868
кровли
17,2
88
1,35
1,12
пола
17,2
75
1,85
0,7
двери
17,2
1,8
1,2
0,025
окон
17,2
36
0,55
1,125
вентиляции
17,2
2,26
Итого
9,098 » 9,1
СЕЙЧАС НАДЫШИМ!
Предположим, что в доме живет семейная пара с двумя детьми. Взрослый человек ежечасно выделяет около 120–130 Вт тепла. Непостоянная величина зависит как от вида деятельности, так и от окружающей температуры. Тепловыделение ребенка будем оценивать в половину тепловыделения родителей. Если все люди находятся в помещениях 2/3 всего времени, то получим
(2 ´ 126 + 2 ´ 126 / 2) ´ 2/3 = 252 Вт.
Допустим, что в доме пять комнат, освещенных обыкновенными лампами накаливания мощностью 60 Вт (не энергосберегающими), по три на помещение, которые включены в среднем по шесть часов в сутки (т. е. 1/4 всего времени). Примерно 85 % потребляемой лампой мощности превращается в тепло. Итого получим
5 ´ 60 ´ 3 ´ 0,85 ´ 1/4 = 191 Вт.
Холодильник — очень эффективный нагревательный прибор. Его тепловыделение — 30 % от максимальной потребляемой мощности, то есть 750 Вт.
Другая бытовая техника (пусть это будут стиральная и посудомоечная машины) выделяет в виде тепла около 30 % максимальной потребляемой мощности. Средняя мощность указанных приборов — 2,5 кВт, работают они примерно по два часа в сутки. Итого получим 125 Вт.
Стандартная электроплита с духовкой имеет мощность примерно в 11 кВт, однако встроенный ограничитель регулирует функционирование нагревательных элементов таким образом, чтобы их одновременное потребление не превышало 6 кВт. Впрочем, вряд ли мы когда-то используем больше чем половину конфорок одновременно или сразу все тэны духовки. Поэтому будем исходить из того, что средняя рабочая мощность плиты примерно 3 кВт. Если она включена часа три в день, то получим тепла 375 Вт.
Каждый компьютер (а их в доме два) выделяет примерно 300 Вт тепла и работает четыре часа в сутки. Итого 100 Вт.
Телевизор — это 200 Вт и шесть часов в сутки, то есть на круг — 50 Вт.
В сумме получаем 1,84 кВт.
Непросто подсчитать, сколько тепла приносит горячее водоснабжение. Четыре человека в месяц потребляют около 20 куб. м, то есть несколько меньше куба в сутки. Да и диапазон температур подаваемой воды может разниться в десятки градусов. Поэтому предлагаем для круглого счета принять объем тепла ГВС, выраженный в 9 % от выше подсчитанного суммарного поступления тепла. Итого будем иметь ровно 2 кВт.
Теперь «подобьем» баланс:
Теплопотери
9,1 кВт
Обогрев
Тепловыделение бытовых приборов
и обитателей дома — 2 кВт
Система отопления — требуется вычислить
Теперь вычислим требуемую тепловую мощность системы отопления:
Qотопления = 9,1 кВт — 2 кВт = 7,1 кВт.
Расходы на отопление
Собственно, выше мы вычислили мощность, которая будет необходима для нагрева теплоносителя. А греть его мы будем, естественно, с помощью котла. Таким образом, расходы на отопление — это стоимость топлива для этого котла. Поскольку мы рассматриваем самый общий случай, то сделаем расчет для наиболее универсального жидкого (дизельного) топлива, так как газовые магистрали есть далеко не везде (стоимость их подведения обозначается цифрой со многими нулями), а твердое топливо нужно, во-первых, как-то привозить и, во-вторых, каждые два-три часа подбрасывать в топку котла. Пеллетные котлы являются приятным, но, увы, еще редким исключением. Электроэнергию в качестве котлового топлива мы не рассматриваем, так как это наиболее дорогой вид в России.
Чтобы узнать, какой объем V дизтоплива в час нам придется жечь для обогрева дома, нужно удельную теплоту его сгорания q (количество тепла, выделяемое при сжигании единицы массы или объема топлива, для дизтоплива примерно 13,95 кВт х ч / л) умножить на КПД котла h (примерно 0,93 % у дизельных) и затем требуемую мощность системы отопления Qотопления (7,1 кВт) поделить на полученную цифру:
V = Qотопления / (q ´ h) = 7,1 кВт / (13,95 кВт ´ ч / л) ´
´ 0,93 = 0,47 л / ч.
При средней для Московской области стоимости дизтоплива 30 руб. / л в год на отопление дома у нас уйдет
0,47 л / ч ´ 30 руб. / л ´ 24 ч ´ 365 дней = 123 тыс. руб. (округленно).
Разумеется, при покупке единоразово 4 тонн топлива цена за его единицу, по утверждению практиков, может быть и пониже. Полученный результат весьма близок к расходам владельцев реальных домов, аналогичных рассмотренному примеру.
КАК РАЗУМНО ЭКОНОМИТЬ?
Естественное желание любого домовладельца — снизить затраты на отопление еще на стадии строительства. Или в крайнем случае при модернизации. Куда же имеет смысл вкладывать деньги?
В первую очередь следует подумать об утеплении фасада, на долю которого, как мы убедились ранее, приходится основной объем всех теплопотерь. В общем случае для этого может использоваться внешнее или внутреннее дополнительное утепление. Однако внутреннее утепление гораздо менее эффективно. При монтаже теплоизоляции изнутри граница раздела теплой и холодной областей перемещается внутрь дома, то есть в толще стен будет конденсироваться влага, намокать несущая конструкция и пр. Поэтому такое решение надо исключить по определению.
Существуют два способа наружного утепления фасадов: мокрый (штукатурка по теплоизоляционным материалам) и путем установки навесного вентилируемого фасада. На российском строительном рынке хорошо себя зарекомендовали многие системы утепления. Для штукатурного фасада можно отметить те из них, в основу которых положены теплоизоляционные материалы компаний ROCKWOOL, KNAUF INSULATION, ТехноНИКОЛЬ. Для вентилируемых фасадов оптимальна разработка металлического сайдинга «МЕТАЛЛ ПРОФИЛЬ». Также пользуются заслуженной популярностью облегченные системы вентилируемого фасада группы компаний «МЕТАЛЛ ПРОФИЛЬ», соответствующие по своим параметрам потребностям частного и малоэтажного домостроения. И все-таки при возведении коттеджей штукатурный вариант применяется гораздо чаще. И дело тут не в том, какую систему утепления выбрать, а в том, чтобы она обеспечила нормативное термическое сопротивление. В Москве оно нынче не должно быть ниже 3,5 м2 ´ °C / Вт. То есть имеющиеся стены в два кирпича надо снаружи покрыть несколькими слоями теплоизолятора общей толщиной примерно 130–150 мм минераловатного утеплителя. С учетом этого повторим вышеприведенный расчет теплопотерь, но уже с другими, нормативными цифрами:
Qстен = (17,2 °C / 3,5 м2 ´ °C / Вт) ´ 137,2 м2 = 0,674 кВт.
Это в 5,7 раза меньше аналогичного показателя для неутепленного фасада. Впечатляет, не правда ли?
Разумеется, надо утеплить и кровлю. Для Московского региона слоя в 200 мм минераловатного утеплителя будет достаточно для достижения нормативного термического сопротивления кровли. Два десятка сантиметров толщины дадут 5,4 м2 ´ °C / Вт термического сопротивления.
Повторим расчет для кровли:
Qкровли = (17,2 °C / 5,4 м2 ´ °C / Вт) ´ 88 м2 = 0,28 кВт.
Посмотрим, как теперь будет выглядеть тепловой баланс нашего дома.
Теплопотери
5,06 кВт
Обогрев
Тепловыделение бытовых приборов
и обитателей дома — 2 кВт
Система отопления — требуется вычислить
Все ли резервы исчерпаны? Нет. Например, можно установить хорошие стеклопакеты, термическое сопротивление которых будет превышать 1 м2 ´ °C / Вт. Но вносить в расчет мы его уже не стали ввиду незначительности величины выигрыша.
Итак,
V = Qотопления / (q ´ h) = 3,06 кВт / (13,95 кВт ´ ч / л) ´
´ 0,93 = 0,20 л / ч.
Сумма на отопление:
0,20 л / ч ´ 30 руб. ´ 24 ч ´ 365 дней =
= 52,5 тыс. руб. (округленно).
И чистая экономия: 123–52,5 = 70,5 тыс. руб.
Разумеется, для достижения такой экономии потребуются заметные единовременные вложения, однако, как показывает практика, они окупят себя через три-четыре года.
Приведенные в статье расчеты приблизительны, но они хорошо отражают тенденцию: грамотно спланированные на стадии строительства затраты помогут в будущем сэкономить заметные средства. Это одна из наиболее ярких иллюстраций известной русской пословицы: «Копейка рубль бережет»!
