Табл. 1. Результаты расчета теплопотерь
«О проблемах энергетической эффективности жилья обычно вспоминают в ракурсе городского ЖКХ, однако владельцам индивидуальных домов эта тема подчас гораздо ближе, — считает Сергей Якубов, заместитель директора по продажам и маркетингу Группы компаний “Металл Профиль”, ведущего производителя кровельных и фасадных систем в России. — 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 жилого дома эту сумму можно существенно сократить».
Собственно, отапливать дом нужно для того, чтобы постоянно поддерживать в нем комфортную температуру, независимо от того, что творится на улице. При этом нужно учитывать теплопотери как через ограждающие конструкции, так и через вентиляцию, так как тепло уходит вместе с нагретым воздухом, взамен которого поступает охлажденный, а также тот факт, что некоторое количество тепла выделяют люди, находящиеся в доме, 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, через кровлю, через пол, через двери и окна, а также через вентиляцию. Обогрев — система отопления + тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома.
Чтобы понять, сколько тепла мы должны получить от своей системы отопления и сколько 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 м2 (для упрощения вычислений мы считали, что размеры коттеджа в плане примерно 8,7 × 8,7 м и он имеет два этажа высотой по 2,5 м).
Теплопотери через ограждающие конструкции (кровлю, стены, пол)
Интенсивность теплопотерь определяется двумя факторами: разницей температур внутри и снаружи дома и сопротивлением его ограждающих конструкций теплопередаче. Разделив разницу температур Δt на коэффициент сопротивления теплопередаче Ro стен, кровли, пола, окон и дверей и умножив на площадь S их поверхности, можно вычислить интенсивность теплопотерь: Q = S(Δt/Ro).
Разница температур Δt — величина непостоянная, она меняется от сезона к сезону, в течение дня, в зависимости от погоды и т.д. Однако, нашу 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 это +5,8 °C.
Если принять за комфортную температуру в доме +23 °C, то наша усредненная разница составит Δt = 23 °C – 5,8 °C = 17,2 °C. Стены. Площадь стен нашего дома (два квадратных этажа 8,7 × 8,7 м высотой 2,5 м) будет примерно равна: S = 8,7 × 8,7 × 2,5 × 2 = 175 м2. 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 × 2000 мм, то есть площадью: Sдвери = 0,9 × 2 = 1,8 м2, а окон в сумме имеется 16 штук (по две на каждой стороне дома на обоих этажах) размером 1500 × 1500 мм, суммарная площадь которых составит: Sокон = 1,5 × 1,5 × 16 = 36 м2, итого — 37,8 м2. Оставшаяся площадь кирпичных стен: Sстен = 175 – 37,8 = 137,2 м2.
Коэффициент сопротивления теплопередаче стены в два кирпича равен 0,405 (м2⋅°C)/Вт. Для простоты пренебрежем сопротивлением теплопередаче слоя штукатурки, покрывающей стены дома изнутри. Таким образом, тепловыделение всех стен дома составит: Qстен = [17,2 °C/0,405 (м2⋅°C)/Вт] × × 137,2 м2 = 5,83 кВт. Кровля. Для простоты расчетов будем считать, что сопротивление теплопередаче кровельного пирога равно сопротивлению теплопередаче слоя утеплителя.
Для легкой минераловатной теплоизоляции толщиной 50–100 мм, чаще всего применяемой для утепления кровель, оно примерно равно 1,7 (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 = 2 × 8,7 × 8,7/cos(30°) = 87 м2.
Таким образом, ее тепловыделение составит: Qкровли = [17,2 °C/1,7 (м2⋅°C)/Вт] × × 87 м2 = 0,88 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] × × 75 м2 = 0,7 кВт. Двери и окна. Их сопротивление теплопередаче приблизительно равно соответственно 0,21 (м2⋅°C)/Вт (двойная деревянная дверь) и 0,5 (м2⋅°C)/Вт (обычный двухкамерный стеклопакет, без дополнительных энергоэффективных «примочек»).
В итоге получим тепловыделение: Qдвери = [17,2 °C/0,21 Вт/(м2⋅°C)] × × 1,8 м2 = 0,15 кВт, Qокна = [17,2 °C/0,5 (м2⋅°C)/Вт] × × 36 м2 = 1,25 кВт. Вентиляция. По строительным нормам коэффициент воздухообмена для жилого помещения должен быть не менее 0,5, а лучше — 1, то есть за час воздух в помещении должен обновляться полностью. Таким образом, при высоте потолков 2,5 м — это примерно 2,5 м3 воздуха в час на квадратный метр площади.
Этот воздух необходимо нагреть от уличной температуры (+5,8 °C) до температуры помещения (+23 °C)*. Удельная теплоемкость воздуха — это 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 23 – 5,8 = 17,2 °C на каждый квадратный метр площади потребуется: 1,01 кДж/(кг⋅°C) × 1,25 кг/м3 × × 2,5 м3/ч × 17,2 °C = 54,3 кДж/ч. Для дома площадью 150 м2 это будет величина: 54,3 × 150 = 8145 кДж/ч = 2,26 кВт. Подведем итог (табл. 1).
Сейчас надышим!
Предположим, что в доме живет семья из двоих взрослых с двумя детьми. Норма питания взрослого человека — 2600–3000 килокалорий в сутки, что эквивалентно мощности тепловыделения в 126 Вт. Тепловыделение ребенка будем оценивать в половину тепловыделения взрослого. Если все обитали дома находятся в нем 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 комнату, которые включены в среднем по шесть часов в сутки (то есть 1/4 всего времени). Примерно 85 % потребляемой лампой мощности превращается в тепло. Итого получим: 5 × 60 × 3 × 0,85 × 1/4 = 191 Вт. Холодильник — это 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 работу 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 работает 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. Теперь «подобьем» баланс. Теплопотери имеют величину 11,06 кВт. Обогрев — система отопления (требуется вычислить) + тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома (1,84 кВт). Требуемая тепловая мощность системы отопления: Qотоп. = 11,06 – 1,84 = 9,22 кВт.
Расходы на отопление
Собственно, выше мы вычислили мощность, которая будет необходима для нагрева теплоносителя. Греть его мы будем, конечно, с помощью котла. Итак, расходы на отопление — это расходы на топливо 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 (а стоимость их подведения — это цифра не менее чем с шестью нулями), а твердое топливо нужно, во-первых, как-то привозить, а во-вторых — каждые дватри часа подбрасывать в топку котла.
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⋅ч/л) умножить на КПД котла η (примерно 0,93 у дизельных) и затем требуемую мощность системы отопления Qотоп. (9,22 кВт) поделить на полученную цифру: V = Qотоп. /(qh) = 9,22 кВт/ /(13,95 кВт⋅ч/л × 0,93) = 0,71 л/ч.
При средней для Московской области стоимости дизтоплива 30 руб/л в год на отопление дома уйдет (округленно**): 0,71 × 30 руб. × 24 часа × 365 дней = = 187 тыс. руб.
Как сэкономить?
Естественное желание любого домовладельца — снизить затраты на отопление еще на стадии строительства. 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 дома. 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. Существует два способа утепления фасадов: «мокрый» (штукатурка) и путем установки навесного вентилируемого фасада. Практика показывает, что из-за необходимости постоянного ремонта «мокрое» утепление с учетом эксплуатационных расходов оказывается в итоге почти вдвое дороже вентилируемого фасада.
Основным недостатком штукатурного фасада является высокая стоимость его обслуживания и содержания. «Первоначальные затраты на обустройство такого фасада ниже, чем для навесного вентилируемого, на 20–25, максимум на 30 процентов, — объясняет Сергей Якубов (“Металл Профиль”). — C учетом расходов на текущий ремонт, который нужно делать не реже чем раз в пять лет, уже по истечении первой пятилетки штукатурный фасад сравняется по стоимости с вентилируемым, а за 50 лет (срок службы вентфасада) — окажется дороже его в четыре-пять раз».
Что же представляет собой навесной вентилируемый фасад? Это наружный «экран», закрепленный на легком металлическом каркасе, который крепится к стене специальными кронштейнами. Между стеной дома и экраном размещается легкий утеплитель (например, Isover «ВентФасад Низ» толщиной от 50 до 200 мм), а также ветрогидрозащитная мембрана (например, Tyvek Housewrap). В качестве наружной облицовки могут использоваться различные материалы, но в индивидуальном строительстве чаще всего применяется стальной сайдинг.
«Использование при производстве сайдинга современных высокотехнологичных материалов, таких как сталь с покрытием Colorcoat Prisma, позволяет подобрать практически любое дизайнерское решение, — говорит Сергей Якубов (“Металл Профиль”). — Этот материал обладает превосходной устойчивостью как к коррозии, так и к механическим воздействиям. Срок гарантии на него составляет 20 лет при реальном сроке эксплуатации в 50 лет и более.
То есть, при условии использования стального сайдинга вся фасадная конструкция прослужит 50 лет без ремонта». Дополнительный слой фасадного утеплителя из минеральной ваты имеет сопротивление теплопередаче примерно 1,7 (м2⋅°C)/Вт (см. выше). В строительстве, чтобы вычислить сопротивление теплопередаче многослойной стены, складывают соответствующие значения для каждого из слоев. Как мы помним, наша основная несущая стена в два кирпича имеет сопротивление теплопередаче 0,405 (м2⋅°C)/Вт.
Поэтому для стены с вентфасадом получим: 0,405 + 1,7 = 2,105 (м2⋅°C)/Вт. Таким образом, после утепления тепловыделение наших стен составит: Qфасад = [17,2 °C/2,105 (м2⋅°C)/Вт] × × 137,2 м2 = 1,12 кВт, что в 5,2 раза меньше аналогичного показателя для неутепленного фасада. Впечатляет, не правда ли? Посмотрим, как теперь будет выглядеть тепловой баланс нашего дома. Теплопотери — 6,35 кВт.
Обогрев — система отопления (требуется вычислить) + тепловыделение бытовых приборов и обитателей дома (1,84 кВт). Требуемая тепловая мощность системы отопления: Qотоп. = 6,35 – 1,84 = 4,51 кВт. Расход дизтоплива: V1 = 4,51 кВт/[13,95 кВт⋅ч)/л × 0,93] = = 0,35 л/ч, а сумма на отопление: 0,35 × 30 руб. × 24 часа × 365 дней = = 92 тыс. руб. Чистая экономия: 187 – 91 = 95 тыс. руб. в год.
Вентфасад тоже стоит денег, примерно 2000 руб/м2 с учетом стоимости монтажных работ. Однако, срок окупаемости этих расходов получается не так уж и большой — примерно 3,5 года. Наконец, помимо экономии на отоплении, необходимо учитывать еще одно обстоятельство. Если вы собирались штукатурить кирпичную стену, то хотя бы раз в 10 лет штукатурный фасад придется «обновлять», что обойдется вам никак не меньше, чем в 500 руб/м2.
Учитывая срок безремонтной эксплуатации вентфасада, получим как раз те самые 2000 руб/м2. То есть, вентфасад окупится только за счет сокращения эксплуатационных расходов, а всю экономию на отоплении вы сможете записать в чистую прибыль!
Не расслабляться!
Утепление фасада — наиболее показательный пример энергоэффективного решения для частного дома. Однако, это вовсе не значит, что на прочие вещи не стоит обращать внимания. Еще одно обязательное условие экономии — грамотное утепление кровли, будь она холодной или теплой. Если кровля смонтирована неправильно, то потери тепла могут быть огромны. К примеру, при намокании утеплителя всего на 5 % его теплоизоляционные свойства ухудшаются вдвое.
Например, если в норме теплопотери через нашу кровлю были равны 0,88 кВт, то при совсем незначительном увлажнении утеплителя они возрастут вдвое и составят 1,76 кВт. В пересчете на деньги эта сырость может «вылиться» владельцу дома в дополнительные расходы на отопление порядка 37 тыс. руб. в год. «Нельзя забывать о том, что кровля — это система, а не набор разрозненных элементов, — отмечает Сергей Якубов (“Металл Профиль”). — Любая ошибка при ее проектировании и монтаже (неправильная укладка покрытия, нарушение целостности воздушного зазора, использование некачественных дешевых подкровельных пленок) может привести к нарушениям в работе этой системы, в частности — к намоканию утеплителя».
К примеру, для защиты теплоизоляционного слоя от конденсата, образующегося на внутренней поверхности кровельного покрытия, лучше применять гидроизоляционные мембраны, например, Tyvek. Кроме того, необходим вентиляционный зазор. Оптимальный вариант — использование кровельной системы категории «все включено», где все элементы соответствующим образом подобраны друг к другу и прослужат одинаковое время.
Установка в доме окон со специальным покрытием на стеклах также позволит сократить теплопотери, причем разница в цене по сравнению с обычными стеклопакетами окупится в течение одного-двух лет. Для мансарды следует применять только специальные мансардные окна, так как только их, благодаря конструктивным особенностям, можно монтировать в плоскости кровли, не опасаясь протечек. Кроме того, стекла в таких окнах имеют специальное энергосберегающее покрытие.
В качестве дополнительного барьера для холода можно установить также более теплые входные двери с тамбуром и утеплить фундамент и коммуникации. Стены подвала необходимо защитить от промерзания, при этом правильная теплоизоляция стен неотапливаемого подвала поможет держать там температуру на уровне температуры грунта (в средней полосе России это 5–10 °C).
Приведенные в статье расчеты приблизительны, однако они хорошо отражают тенденцию: грамотно спланированные затраты на стадии строительства помогут в будущем сэкономить огромные деньги. Это одна из наиболее ярких иллюстраций известной русской пословицы: копейка рубль бережет!
