С целью определения времени охлаждения до 0°C помещений, находящихся в кирпичных домах, зимой при выключении отопления в настоящей работе предлагается методика расчёта, реализуемая через программу для ПК, написанную на языке программирования JavaScript. Данный язык программирования был выбран в связи с распространённостью поддерживающей его среды программирования (браузеры), что позволяет работать в онлайн-формате в любой операционной системе. Разработанная модель расчёта остывания помещений [1] использует следующие значения теплофизических и строительных параметров зданий:
1. Толщина стен, м.
2. Плотность материала стены, кг/м³.
3. Теплоёмкость материала стены, Дж/(кг·°C).
4. Коэффициент теплопроводности материала стены, Вт/(м·°C).
5. Коэффициент теплоотдачи воздух — материал стены, Вт/( м²·°C).
6. Коэффициент серости материала стен.
7. Площадь поверхности стен, граничащих с уличным воздухом, м².
8. Начальная температура тёплых стен, °C.
9. Температура наружного холодного воздуха, °C.
10. Общая площадь поверхности окон в исследуемом помещении, м².
11. Длина и высота помещения, м.
12. Толщина стёкол в окнах, м.
13. Количество стёкол n в стеклопакете.
14. Расстояние d между стёклами в стеклопакете, м.
15. Коэффициент теплопроводности стекла в стеклопакете, Вт/(м·°C).
16. Коэффициент теплоотдачи стекла (стекло — воздух), установленного в стеклопакете Вт/(м·°C).
17. Расстояние L между гипсокартоновым экраном и кирпичной стеной, м.
В предлагаемой методике расчёта учитывались потери тепловой энергии здания через его окна и внешние стены, как за счёт процессов теплопроводности при контакте холодных поверхностей наружных стен и окон с тёплым воздухом помещения, так и за счёт потерь через тепловое излучение.
Практическая реализация предлагаемой методики включает:
1. Расчёт потерь энергии Qконв за счёт конвективного теплообмена при контакте тёплого воздуха помещений с холодной поверхностью стен и стеклопакетов, граничащих с холодным уличным воздухом.
2. Расчёт количества энергии, излучаемой тёплыми стенами в сторону более холодных стен и окон (используется закон Стефана — Больцмана).
3. Расчёт количества энергии, излучаемой с поверхности холодных стен и стёкол окон в сторону тёплых стен. Разность между потоками энергии, излучаемыми на холодные поверхности, и потоками энергии, излучаемыми холодными поверхностями на тёплые стены, представляет собой тепловые потери помещения за счёт процессов лучевого теплообмена Qизл. Общие потери энергии помещением вычислялись путём сложения потерь энергии через конвективный теплообмен с потерями энергии через лучевой теплообмен: Qобщ = Qконв + Qизл.
Схема описанной методики расчёта потерь тепловой энергии помещением через стандартный двойной стеклопакет представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема лучевого теплообмена между тёплыми стенами помещения и поверхностью двойного стеклопакета
Используя предложенную методику, было рассчитано время понижения температуры от 18 до 0°C в помещениях, имеющих однородную структуру стен. В качестве материала стен рассматривался монолитный красный кирпич (плотность 1900 кг/м³ [2], теплоёмкость 880 Дж/(кг·°C) [3]). В качестве исходных данных при проведении расчётов были выбраны: начальная температура помещений (внутренняя температура) в момент выключения отопления (+18°C), температура уличного воздуха (-30°C). Помещения, расположенные на первом или на последнем этажах зданий, в предложенной методике расчёта не рассматриваются. Хотя предлагаемая методика позволяет учитывать скорость ветра при проведении расчётов, представленные в работе результаты проводились при скорости ветра, равной 0 м/с.
Рассмотрим результаты расчёта по предлагаемой нами методике для четырёх типов зданий (тип I, II, III и IV). Все рассматриваемые типы зданий имеют кирпичные стены и бетонные перекрытия толщиной 0,22 м: здания I и II типов построены по нормам проектирования 1952 года, здания III и IV типов — по нормам проектирования 1958 года. Здания I и III типов имеют две несущие кирпичные стены — наружную толщиной 0,64 м (2,5 кирпича + прослойка раствора) и внутреннюю толщиной 0,38 м (полтора кирпича + прослойка раствора). Толщина межквартирных стен 0,25 м. Толщина наружной (холодной) боковой стены в угловой комнате в зданиях I и III типов — 0,64 м. В зданиях I и II типов высота потолка в квартирах 3,2 м [4], в зданиях III и IV типов — 2,5 м [5]. Ширина рассчитываемой жилой комнаты в зданиях I и II типов составляет 3,2 м; в зданиях III и IV типов ширина комнаты — 3 м. В комнатах, где отсутствует балкон, площадь окна в зданиях I и II типов одинаковая и составляет в помещениях в центре дома 2,85 м², в зданиях III и IV типов площадь окна в центральных помещениях равна 2,18 м² [6]. В угловых помещениях зданий любого типа находятся два окна: в зданиях I и II типов — общей площадью 5,7 м², в зданиях III и IV типов — 4,36 м² (одно в наружной несущей стене и одно в боковой стене, граничащей с холодным уличным воздухом).
Здания II и IV типов имеют толщину наружной кирпичной несущей стены 0,51 м (два кирпича + прослойка раствора) и внутреннюю несущую стену толщиной 0,38 м (полтора кирпича + прослойка раствора). Толщина межквартирных стен составляет 0,25 м. Толщина наружной боковой (холодной) стены в угловой комнате в зданиях II и IV типов — 0,51 м.
При проведении расчётов предполагалось, что тепловая энергия в центральных помещениях любых типов кирпичных зданий запасается в боковых стенах помещений, в половой и потолочной бетонной плите, а также в задней несущей стене, находящейся напротив несущей стены, в которой расположены окна. В отличие от центральных помещений, в угловых помещениях зданий тепловая энергия запасается, помимо бетонных плит потолка и пола, в задней несущей стене и в одной боковой стене (эта тёплая стена граничит с соседним тёплым помещением, другая боковая стена граничит с холодным уличным воздухом и в нашей модели не является резервуаром тепловой энергии). Также в модели не учитывался запас тепловой энергии в передней несущей стене, граничащей с холодным уличным воздухом.
Расчёты проводились для помещений с окнами с двойными и тройными стеклопакетами, а также для помещений с дополнительным утеплением для центральных и угловых помещений.
Центральные помещения
Расчёт показал, что при замене стандартного двойного стеклопакета (однокамерный стеклопакет) с толщиной воздушного промежутка 0,016 м между стёклами на двойной стеклопакет с толщиной воздушного промежутка 0,02 м (общая толщина стеклопакетов равна 0,024 и 0,028 м) время вымерзания помещений в центре здания увеличивается: для зданий I типа — на 2,8 ч, II типа — на 2,2 ч, III типа — на 3,2 ч, для зданий IV типа — на 2,5 ч (табл. 1).
Также расчёты показали, что в помещениях, находящихся в центре вышеуказанных зданий, при замене стандартного двойного стеклопакета с воздушным промежутком между стёклами 0,016 мм на стандартный тройной стеклопакет (двухкамерный стеклопакет) с толщиной воздушного промежутка между стёклами 0,006 м (общая толщина стеклопакетов при этом равна 0,024 м) время вымерзания помещений увеличилось: для зданий I типа — на 3,4 ч, II типа — на 2,7 ч, III типа — на 4,0 ч, для зданий IV типа — на 3,1 ч (табл. 1).
Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности замены в центральных помещениях кирпичных зданий двойных стандартных стеклопакетов общей толщиной 0,024 м и толщиной воздушного промежутка между стёклами 0,016 м на широко распространённые стандартные тройные стеклопакеты той же толщины. Тройные стеклопакеты общей толщиной 0,024 м более эффективно удерживают тепловую энергию в помещении по сравнению с двойными стеклопакетами, имеющими воздушный промежуток 0,02 м между стёклами (общая толщина стеклопакета — 0,028 м). Данный факт объясняется тем, что третье стекло возвращает часть тепловой энергии из второго стекла во внутреннее первое стекло тройного стеклопакета через процессы лучевого теплообмена. При этом влияние эффекта возврата тепловой энергии путём переизлучения от второго стекла к первому (внутреннему) стеклу в тройном стеклопакете общей толщиной 0,024 м превышает эффект от возрастания термического сопротивления при увеличении воздушного промежутка от 0,016 м до 0,02 м в двойном стеклопакете общей толщиной 0,028 м. Наибольший эффект от замены стандартных двойных стеклопакетов на стандартные тройные стеклопакеты наблюдается в зданиях III типа и составляет 4%. Это связано с большой толщиной наружных кирпичных стен и малой площадью поверхности наружной стены, граничащей с холодным уличным воздухом.
Кроме того, расчёты показали, что целесообразно установить в центральных помещениях кирпичных зданий мало применяемые тройные стеклопакеты общей толщиной 0,044 м (толщина воздушных промежутков 0,016 м между стёклами). При их использовании время вымерзания центральных помещений значительно возрастает даже по сравнению со стандартными тройными стеклопакетами общей толщиной 0,024 м [в зданиях I типа — на 9,0 ч, в зданиях III типа — на 10 ч (табл. 1)].
Угловые помещения
Для угловых помещений было выявлено очень незначительное (0,4–0,9 ч) увеличение времени вымерзания в зданиях рассматриваемых типов при замене стандартных двойных стеклопакетов с воздушным промежутком между стёклами 0,016 м на стандартные тройные стеклопакеты с толщиной воздушных промежутков 0,006 м (общая толщина обоих типов стеклопакетов — 0,024 м). Преимущество стандартных тройных стеклопакетов перед двойными стеклопакетами с толщиной воздушного промежутка 0,02 м составляет всего 0,2 ч (табл. 2).
Таким образом, можно сделать вывод о малой эффективности замены в угловых комнатах любых кирпичных зданий двойных стандартных стеклопакетов общей толщиной 0,024 м на широко распространённые стандартные тройные стеклопакеты той же толщины. Это связано с тем, что площадь окон в таких комнатах значительно меньше общей площади наружных холодных стен, через которые происходит основная потеря тепловой энергии (23,8 м² — площадь холодных стен в угловых комнатах зданий I и II типов; 18,4 м² — площадь холодных стен в угловых комнатах зданий III и IV типов; 5,7 и 4,36 м² — площадь окон в угловых комнатах зданий всех рассматриваемых типов).
Также было рассчитано время охлаждения угловых помещений с боковым окном, полностью по толщине заложенным кирпичом. В этом случае в наружной несущей стене боковой комнаты остаётся одно окно (n = 3, d = 0,006 м). Расчёты показали, что для всех типов зданий при полностью заложенном по толщине (0,5–0,64 м) боковом окне время вымерзания угловых помещений крайне незначительно возрастает по сравнению с угловыми помещениями с двумя окнами, в которых установлены стандартные тройные стеклопакеты (n = 3, d = 0,006 м).
При замене во всех типах зданий стандартных двойных стеклопакетов (n = 2, d = 0,016 м) в двух окнах на тройные стеклопакеты (n = 3, d = 0,016 м) время вымерзания боковых комнат увеличится от 2,0 до 2,5 ч в зависимости от типа здания (табл. 2). Данная замена даёт больший эффект в сравнении с помещениями с полностью заложенным окном в боковой стене. Таким образом, можно сделать вывод о том, что более рациональным решением является установка тройного стеклопакета (n = 3, d = 0,016 м), чем заделка оконного проёма кирпичом по всей толщине в боковой стене помещения.
Утепление угловых помещений
Проведённые в работе расчёты показали, что тепловые характеристики угловых помещений кирпичных домов значительно уступают характеристикам центральных помещений. Угловые помещения, например, в домах I типа вымерзают более чем в три раза быстрее, чем центральные помещения (табл. 1 и 2). Это происходит из-за меньшего запаса тепла в угловом помещении (отсутствует запас тепловой энергии в боковой стене, граничащей с холодным уличным воздухом). Кроме того, в угловом помещении значительно больше площадь стен, граничащих с холодным уличным воздухом, что приводит к большим теплопотерям.
С целью выяснить, как влияет утепление стен на скорость вымораживания угловых помещений, были проведены расчёты скорости охлаждения утеплённых угловых помещений, имеющих два окна с установленными в них тройными стеклопакетами с толщиной воздушных промежутков по 0,016 м. Рассчитывались варианты охлаждения помещений, в которых были утеплены только боковые стены и помещений, в которых было проведено утепление как боковой стены, так и передней несущей стены. Утепление стен проводилось путём установки дополнительных экранов из гипсокартона на расстоянии L = 0,02 м от основной кирпичной стены. Расстояние 0,02 м было использовано исходя из результатов проведённых авторами экспериментов, которые показали, что при толщине воздушного промежутка 0,02 м между экраном и основной стеной потери тепловой энергии наименьшие из-за большого термического сопротивления воздушного промежутка. Если же увеличить толщину воздушного промежутка более 0,02 м, то начинается процесс конвекции, что ухудшает теплоизолирующие свойства воздушного промежутка. При этом влияние толщины гипсокартона на скорость вымерзания помещения не учитывалось, так как теплопроводность гипсокартона на порядок больше, чем теплопроводность воздушного промежутка между основной стеной и гипсокартоновым экраном. Результаты расчётов (табл. 3) показали, что утепление только боковых стен путём установки одного дополнительного экрана из гипсокартона увеличивает время вымерзания угловых помещений в зданиях I и III типов на 8,0 и 9,0 ч (на 25 и 27%, соответственно). Таким образом, утепление даже одним слоем гипсокартона боковой холодной стены значительно улучшает тепловые характеристики углового помещения. При этом, однако, его характеристики остаются значительно хуже, чем у помещений, расположенных в центре дома.
Если произвести утепление боковой стены двумя слоями утеплителя, разделённых одинаковыми воздушными промежутками величиной 0,02 м, то время вымерзания угловых помещений увеличится, но менее значительно (на 9,0 и 9,7%, соответственно).
В случае утепления как боковой, так и передней несущей стены углового помещения расчёты показали очень значительное увеличение времени вымерзания угловых помещений в случае одинарного утепления (на 76–77% — в зданиях I и III типов и на 90–91% — в зданиях II и IV типов по сравнению с неутеплёнными помещениями). То есть расчёты однозначно показывают, что значительно экономичнее производить утепление в один слой обеих холодных стен боковых помещений, чем утеплять только одну боковую стену даже несколькими слоями утеплителя.
Выводы
1. При проведении утеплительных работ в кирпичных зданиях в помещениях, находящихся в центре зданий, рекомендуется вместо двойных стандартных стеклопакетов общей толщиной 0,024 м устанавливать тройные стеклопакеты той же общей толщины с шириной воздушных промежутков между стёклами 0,006 м или тройные стеклопакеты общей толщиной 0,044 м с шириной воздушных промежутков между стёклами 0,016 м. Для центральных помещений кирпичных домов при увеличении толщины стены, граничащей с холодным уличным воздухом, на полкирпича (0,125 м) время вымерзания помещения увеличивается на 12–13 ч.
2. В угловых помещениях кирпичных домов замена стандартных двойных стеклопакетов общей толщиной 0,024 м на тройные стеклопакеты той же толщины незначительно повышает теплофизические характеристики помещения, что свидетельствует о нецелесообразности подобных замен. Это объясняется тем, что в данных угловых помещениях потери тепловой энергии через окна в несколько раз меньше потерь тепловой энергии через стены, граничащие с холодным уличным воздухом. Также расчёт показал, что установка тройных стеклопакетов общей толщиной 0,044 м в угловых помещениях более предпочтительна, чем закладка бокового окна кирпичом.
3. Утепление боковых помещений кирпичных домов целесообразно проводить путём установки дополнительных экранов (например, из гипсокартона) по всей площади стен, граничащих с холодным уличным воздухом. При этом толщина воздушного промежутка между экранами и кирпичной стеной равна 0,02 м.
4. Предложенная в работе методика может быть использована для расчёта времени охлаждения любых жилых зданий со стенами из однородного монолитного материала (кирпича или бетона).
