Сегодня поговорим о таком важном понятии при проектировании и строительстве дома как тепло и способы его сохранения.
На заре научного познания мера человечество столкнулось с необходимостью объяснения тепловых явлений. Температура - один из осязаемых параметров, тепловые явления окружают нас со всех сторон и кажутся вполне понятными, если не пытаться их оценить взглядом естествоиспытателя.
И тут мы с удивлением обнаружим, что чувство есть, а измерить его никак нельзя. Прекрасно осознав такие измеримые понятия как размер, расстояние, его первую производную по времени - скорость, вторую производную - ускорение, введя понятие массы, времени инструмента для измерения температуры придумать «влёт» не получиться.
Достаточно быстро была найдена способность тел к расширению при нагревании. Это дало возможность начать не просто наблюдение и осязание тепла, но и численного его измерения. От момента первых наблюдений за тепловым расширением и его первым применением для качественного измерения температур в 16-м веке до появления первых градуированных термометров которыми изменение температурных параметров можно было отследить не только качественно, но и количественно прошло более 100 лет. До появления первого понятия - теплота - еще 100 лет. Понятие «Теплород» - как некий невесомый флюид определяющий тепловые характеристики тела был введён Лавуазье в 1783 году.
Теплоту представляли как некоторую невесомую жидкость, которая заполняла предметы определяя их температуру или ее изменение при передаче тепла от тела к телу. Были введены понятия теплоемкости, то есть некого физического параметра, определяющего количество Теплорода, которое принимало тело для изменения температуры на одну единицу.
Такие понятия позволяли достаточно точно математически описать свойства тела, но не объясняли внутренней физики процесса.
Современное понятие температуры родилось после появления атомарной модели строения тела. Понятие достаточно простое, и даже красивое что всегда свойственно более продвинутой теории.
Немного офтопа, помните сложнейшую теорию геоцентрического построения нашей солнечной системы. Со всеми небесными сферами, закреплёнными и поворачивающимися относительно друг друга. Это сложная теория принятая наукой в своё время полностью объясняла движение небесных объектов, но была невероятно сложна математически. Пришедшая ей на смену гелиоцентрическая система Коперника и Галилея полностью совпадала с геоцентрической теорией по результату, но была намного проще и понятнее с точки зрения математики. Обратите внимание, наука того времени не обладала необходимым инструментом чтобы выявить движение Солнца и поэтому неподвижная сфера звезд присутствует в обоих моделях.
Точно также достаточно громоздкая теория Теплорода давала правильные математические результаты, но не имелся стройности современной теории.
Итак понятие Температура сегодня связывают с энергией движения атомов или молекул тела. Определение гласит: Температура - физическая величина пропорциональная средней кинетической скорости движения молекул тела.
Если представить молекулы твёрдого тела как некие микроскопические объекты, имеющие однако конечные размеры, связанные друг с другом силами взаимодействия. Фактически молекулы находятся относительно друг друга в неких равновесных точках где силы отталкивания уравновешены силами притяжения. Молекула колеблются относительно этих точек и энергия колебаний определяет температуру тела.
Рассмотрим процесс передачи тепла. Если каким то образом сообщать участка тела некоторую энергию, например воздействуя механически мы придаём энергию молекулам энергию, попросту раскачиваем их. Молекулы передают освою энергию соседям, те дальше, все тело нагревается, этот процесс называется теплопередачей, а свойство тела передавать эти колебания называют теплопроводностью.
Понятно, что молекулы разных тел тоже способны взаимодействовать, Молекулы газов, например воздуха сталкиваясь с молекулами твёрдого тела передают им энергию, тело нагревается, воздух остывает. Понятно, что масса молекул газа много меньше массы молекул твёрдого тела. Попытка стаи хомячков расшевелить стадо бегемотов не очень эффективна. Зато быстрый «горячий» бегемот ворвавшийся к хомякам расшвыряет их с огромной скоростью. Сюда очень хорошо вписывается понятие теплоемкости. Теплоёмкость прямо зависит от концентрации молекул тела в пространстве. Средняя энергия движения молекул газа высока, а полная энергия в объеме как раз наоборот.
Не так давно в 2018 году с мыса Канаверал стартовал солнечный зонд, направленный для исследования солнечной короны. План полета рассчитан более чем на 7 лет. Первое приближение к короне солнца состоится в 2024 году. Предполагается приближение к солнцу на расстояние порядка 6,2 млн. км. Для сравнения расстояние от Земли до Солнца порядка 150 млн.км. Температура короны солнца - в среднем 1,5-1,8 млн. градусов Кельвина. Как вы думаете почему исследовательский зонд не испариться приблизившись к такому горячему телу... Это как раз связано с низкой плотностью вещества короны солнца. Очень быстрые частицы солнечного вещества имеют высокий средний показатель кинетической энергии то есть температуру, но тепловой энергии в объеме совсем немного так как плотность вещества солнечной короны 0,0000000000000001 г/см3. Прогнозируемая температура на поверхности защитного щита предполагается всего 1400 градусов Кельвина, а за щитом, всего 30 градусов нашего привычного Цельсия. Основной нагрев произойдёт за счёт излучения Солнца, а вовсе не от контакта с страшно горячей солнечной короной.
Напомню, что шкала температур Кельвина и Целься совпадают по масштабу, но сдвинуты относительно друг друга на 273 градуса. По Кельвину абсолютный «0» и есть 0, по Цельсию это -273 градуса.
Наглядно представить себе понятие теплоемкости можно на таком опыте. Вы достаточно легко можете открыть духовку, нагретую до 300 градусов и подержать там руку какое то время, но сунуть руку в кипящую воду которая имеет температуру всего 100 градусов вы явно не захотите.
Теперь к нашим домам.
Как мы уже поняли, плохо проводят тепло вещества, плотность которых меньшая. Беда в том, что вещества с маленькой плотностью также имеют маленькую прочность и не годятся для несущих конструкций. Также невысокую теплопроводность имеют органические вещества. Такое свойство связано с наличием длинных массивных, но не жестких органических молекул, которые плохо передают тепло.
Сравним мысленно кристаллическую металлическую решетку в узлах которых размещены атомы, соединённые условными пружинками. Раскачаем один атом, он быстро передаст колебания дальше по решетке. Теплопроводность металлов и очень велика. Если увеличить жесткость атомных связей, то опять же колебания станут передаваться хуже - это неметаллические кристаллические вещества.
Вот Вам структура современной минераловатной теплоизоляции - нитевидные минеральные кристаллические нити между которых расположен воздух. Каменные нити плохо передают тепло воздуху, воздух не передаёт тепло массивным кристаллам минерала. Другое дело намокшая минеральная вата. Тут воздушные промежутки заполнены более плотной водой, которая передаёт тепло намного эффективнее. Поэтому эффективная минераловатная теплоизоляция ухудшает свои свойства при намокании. Современные теплоизоляционные плиты гидрофобны за сочетания применения различных водоотталкивающих пропиток, но вода может попасть в виде пара и при остывании выпасть в виде росы. Это ухудшит свойства теплоизоляции, температура понизится, пар сконденсируется глубже, и так далее.
При применении минераловатных утеплителей обязательное условие - защита от пара и расчёт расположения точки росы.
Полимерные утеплители на основе экструдированного пенополистирола не допускают внутрь себя не только воду, но и воздух. То есть вода не проникнет в теплоизоляцию и в виде пара. Однако такие теплоизоляционные материалы имеют другие негативные свойства, горючесть, выделение токсичных веществ при нагревании.
Идеальным теплоизолятором может быть воздух, а лучше вакуум, пустота. Таким образом устроены термоса, которые очень хорошо сохраняют тепло или препятствуют нагреву содержимого.
Воздушный зазор внутри современного стеклопакета как раз обеспечивает теплоэффективность. Возникает желание увеличить толщину этого воздушного зазора, тем самым мы должны были увеличить и сопротивление теплопередаче. Однако здесь вступает в силу другой способ передачи тепла, конвекционное перемешивание. Если пространство между стеклами слишком велико, то слой воздуха, обращенный к внутренней части пакета нагреваясь и расширяясь устремляется вверх, наружный слой остывает и направляется вниз. Образуется циркуляция, которая увеличивает теплопроводность конструкции. Именно для этого внутри энергоэффективного стеклопакета располагают третье стекло. Его цель как раз предотвращение конвекционного движения воздуха. Заполнение пакета аргоном тоже служит цели снижения теплопроводности так как этот газ легче воздуха и имеет меньшую теплопроводность.
Технически идеальным решением было бы создание разряжения внутри стеклопакета, но этому препятствует атмосферное давление. При откачке воздуха на поверхность стекла начинает воздействовать атмосфера создающая на каждом квадратном сантиметре поверхности усилие в 1 кг. Вроде не много кажется, но подсчитав площадь окна даже небольшого (110х51 см)
всего 5 610 см2 мы поймем, что в случае откачки воздуха стекла будут сдавливаться с силой 5,6 т это уже несколько больше чем может выдержать простое стекло.
Современное окро - достаточно сложная конструкция обеспечивающая максимально возможное на данном технологическом этапе сохранение тепла.
Переходим к стенам. Современная стена слоиста. Так как мы понимаем, что совместить свойства высокой прочности и низкой теплопроводности достаточно трудно, то современная стена имеет прочные внутренние слои ил кирпича, бетона, стали и тепловую защиту снаружи в виде слоев различного вида изоляционных материалов.
Вот простой пример классической кирпичной стены с утеплением. Внутренняя несущая стена - кирпич керамический, утепление с наружной стороны минеральной ватой. и далее декоративный облицовочный кирпич. Поскольку материалы облицовки, внутренней стены в процессе строительства да и позже при эксплуатации могут отдавать или пропускать водяной пар, который конденсируясь в слое теплоизоляции будет нарушать ее свойства в конструкции предусмотрен вентиляционный зазор, который обеспечивает отвод пара из слоя утеплителя. Для этого крайне необходимым является устройство в толщине облицовочной стены специальных отверстий в нижней части и далее по стене под и над проемами. Как ни странной именно этот узел часто забывают.
На фото один из стандартных элементов вентилируемой кладки.
Каркасные конструкции как видно из названия представляют собой несущий каркас с размещенным внутри утеплителем.
Стойки выполненный из дерева обеспечивают жесткость, утеплитель - тепловая защита , остальные слои, видимые на картинке служат цели как раз защите утеплителя от негативного воздействия среды. Как видно присутствует вентзазор функция которого все таже - вывод влаги из теплоизоляции.
Следующим типом будут различные сэндвич стены.
Например СИП
Самонесущая изолирующая плита. Как видно из названия такая конструкция обеспечивает как несущие так и теплоизоляционные свойства. В качестве теплоизоляции применяется пенопласт как материал не пропускающий воздух и не подверженный воздействию влаги. Несущие свойства несет брус и OSB плита. Все это достаточно быстро и точно изготавливается в условиях завода и оперативно собирается на строительной площадке. Дом такого конструктива легок, энергоэффективен. Есть и минусы связанные с горючестью, сомнительной экологичностью. Отдельным свойством работающим как в положительном так и в отрицательном направлении является низкая теплоемкость. Конструкция практически не держит тепло, то есть не запасает внутри себя тепло например солнца днем медленно отдавая его в более прохладную ночь и наоборот в зару вся конструкция быстро прогревается требуя затрат на кондиционирование. Каменные дома имеют высокую теплоемкость и меньших затрат на компенсацию перепадом температур. Это однако является и минусом для домов с непостоянным пребыванием. Большой каменный дом нужно топить всю зиму даже если вы планируете посещать его только на выходных например в "дачном варианте"
В общем и целом идеальной конструкции не существует в противном случае она была бы доминирующей на строительном рынке. Все что не специалист должен выбрать в своем доме - это грамотного подрядчика, который применит свои компетенции для обеспечения потребности Заказчика.