Данная статья будет посвящена теплотехническим характеристикам каркасного дома, сразу хотелось бы отметить, что сравнения с другими технологиями проводиться не будет, но будут сводные таблицы по характеристикам материалов, на основе которых, при необходимости, каждый желающий сможет провести свой анализ различных многослойных и однослойных ограждающих конструкций.
Каркасному дому зачастую приписывают звание "термоса" и конечно указывают на то, что каркасный дом мгновенно остывает при условии отключения отопления и так же быстро нагревается при отключении кондиционирования, главными аргументами тут используют - удельную теплоемкость и тепловую инерцию, а точнее малую удельную теплоемкость каркасных стен, так как они состоят по большей части из легких изоляционных материалов и как следствие низкую тепловую инертность стен. Попробуем подробнее рассмотреть данную тему.
Первым делом обратимся к определениям:
Удельная теплоемкость материала - это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества на 1 °C.
Единица измерения удельной теплоёмкости в системе СИ — джоуль на кельвин на килограмм (Дж⋅кг−1⋅К−1)
Тепловая инерция - это способность материала сохранять и отдавать тепло в течение определённого времени.
Тепловая инерция ограждающих конструкций - это свойство ограждения сохранять относительно постоянную температуру внутренней поверхности при периодических изменениях внешних тепловых воздействий (колебания температуры наружного воздуха и солнечной радиации).
Тепловую инерцию (D) определяют как сумму значений тепловой инерции всех слоёв многослойной конструкции. Для этого используют формулу: D = R1 s1 + R2 s2 + ... + Rn sn, где R1, R2, Rn — термические сопротивления слоёв ограждения, а s1, s2, sn — коэффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоёв за период в 24 часа.
Далее, чтобы не лезть в дебри расчетов, обратимся к сводной таблице теплотехнических показателей различных строительных материалов представленной в приложении к "СП 50.13330.2024 тепловая защита зданий", прикладывать полную таблицу я не буду, так как многие материалы в ней не применимы к каркасным домам, а сделаю выборку по интересующим нас материалам.
Взглянув на таблицу, мы можем увидеть что удельная теплоемкость минераловатных плит не столь велика и составляет 840 Дж/кг*C, хотя данный показатель и сравним с гипсовой плитой или с цементно песчаным раствором, при расчете теплоемкости по массе, минераловатные плиты будут сильно уступать другим материалам ввиду их низкой плотности и как следствие малой массе одного квадратного метра утепленной стены.
В седьмом столбце приведена не менее интересная характеристика - теплоусвоение материала, что же это за "зверь" такой?
Коэффициент теплоусвоения - величина, характеризующая теплоусвоение материала. Отражает способность материала воспринимать теплоту при колебании температуры на его поверхности.
Как мы видим коэффициент теплоусвоения у минераловатных плит так же мал, точнее самый низкий из представленных в таблице, ну и конечно самое время сделать вывод - тепловая инерция дома из утеплителя крайне мала, стены не способны усваивать температурных колебаний и не могут накопить в себе энергии, которую можно было бы отдать в помещение в случае отключения отопления, ведь тепловая инерция ограждающей конструкции из минераловатных плит толщиной 200мм (D = R1 s1) равна D = (0,2/0,044)*0,41=1,86 - а это совсем не конкурентный показатель если сравнивать со стеной из газоблока, дерева и т.д.
Но есть небольшое НО, владельцы каркасных домов - люди искушенные и им не достаточно стен из минплиты покрытых пароизоляцией о которых мы сейчас упоминали.
И вот тут нас ждет более интересный расчет, итак давайте возьмем нормальную комплектацию каркасного дома предназначенного для ПМЖ:
1) Стены имеют формулу 150+50: каркас из доски 145х45мм с утеплением 150мм и перекрестное утепление 50мм
2) Чердачное перекрытие 200+50: балки из доски 195х45мм с утеплением 200мм и перекрестное утепление 50мм
3) Пол - 200+50: лаги 195х45мм с утеплением 200мм и перекрестное утепление 50мм
Соответственно пароизоляционная пленка и ветрозащитная мембрана, сетка от мышей и прочие мелочи которые не относятся к нашему расчету. А вот что касается подготовки под внутреннюю отделку:
1) Стены - брусок вентзазора 45мм или рейка 20мм + доска 20мм (под вертикальный монтаж имитации), имитация бруса 20мм + Гипсокартон в два слоя 19мм (9,5+9,5)
2)Потолок - Гипсокартон в два слоя 19мм (9,5+9,5) на металлокаркасе с вентзазором
3)Пол - Доска вентзазора 45х95мм, фанера или ЦСП 18мм, стяжка полусухая 60мм
В таком виде сдается дом под чистовую отделку.
Давайте сделаем расчеты тепловой инерции ограждающих конструкций с указанными комплектациями, а начнем со стены, для простоты расчетов возьмем глухую стену дома длиной 10м, с высотой стойки 3м.
Приступим к расчетам нашей стены:
Общая площадь стены - 31,35 м2, но так как состав стены не однородный давайте подсчитаем примерную площадь каждой комбинации материалов:
1)Дерево 20мм + Дерево 45мм + Дерево 145мм + Дерево 45мм = 0,218 м2
2) Дерево 20мм + Дерево 45мм + Дерево 145мм + Минплита 50мм = 0,981 м2
3) ГКЛ 20мм + Дерево 45мм + Дерево 145 + Минплита 50мм = 0,981 м2
4) ГКЛ 20мм + Дерево 45мм + Дерево 145мм + Дерево 45мм = 0,218 м2
5) Дерево 20мм + Воздух 45мм + Дерево 145мм + Дерево 45мм = 0,623 м2
6) ГКЛ 20мм + Воздух 45мм + Дерево 145мм + Дерево 45мм = 0,623 м2
7) Дерево 20мм + Воздух 45мм + Минплита 150мм + Минплита 50мм = 11,881 м2
8) ГКЛ 20мм + Воздух 45мм + Минплита 150мм + Минплита 50мм = 11,881 м2
9) Дерево 20мм + Воздух 45мм + Минплита 150мм + Дерево 45мм = 1,972 м2
10) ГКЛ 20мм + Воздух 45мм + Минплита 150мм + Дерево 45мм = 1,972 м2
Как мы видим стена состоит из 10 различных комбинаций материалов, далее предлагаю напротив каждой из найденных площадей провести расчет тепловой инерции D
1) 0,218 м2 D1 = (0,02/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87+(0,145/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87 = 7,049
2) 0,981 м2 D2 = (0,02/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87+(0,145/0,14)*3,87+ (0,05/0,044)*0,41 = 6,271
3) 0,981 м2 D3 = (0,02/0,21)*3,66+(0,045/0,14)*3,87+(0,145/0,14)*3,87+ (0,05/0,044)*0,41 = 6,066
4) 0,218 м2 D4 = (0,02/0,21)*3,66+(0,045/0,14)*3,87+(0,145/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87 = 6,844
5) 0,623 м2 D5 = (0,02/0,14)*3,87+(0,50*0)+(0,145/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87 =
= 5,805
6) 0,623 м2 D6 = (0,02/0,21)*3,66+(0,50*0)+(0,145/0,14)*3,87+(0,045/0,14)*3,87 = = 5,6
7) 11,881 м2 D7 = (0,02/0,14)*3,87+(0,50*0)+(0,15/0,044)*0,41+(0,05/0,044)*0,41 = = 2,416
8) 11,881 м2 D8 = (0,02/0,21)*3,66+(0,50*0)+(0,15/0,044)*0,41+(0,05/0,044)*0,41 = = 2,211
9) 1,972 м2 D9 = (0,02/0,14)*3,87+(0,50*0)+(0,15/0,044)*0,41+(0,045/0,14)*3,87= = 3,194
10) 1,972 м2 D10 = (0,02/0,21)*3,66+(0,50*0)+(0,15/0,044)*0,41+(0,045/0,14)*3,87= = 2,989
Как мы можем наблюдать из получившихся результатов стена каркасного дома состоит из достаточно большого числа комбинаций материалов, но вернемся к нашей тепловой инерции и посмотрим на принятую по этому коэффициенту классификацию по СНиП РН 2.04-03-2002:
- D>7 Массивные конструкции
- 4<D<7 Конструкции средней массивности
- 1,5<D<4 Конструкции малой массивности
- D<1,5 Легкие конструкции
И взглянув на результаты наших расчетов можно сделать вывод что преобладающей по площади коэффициент нашей каркасной стены позволяет отнести ее к конструкции малой массивности.
Безусловно тепловая инерция важна и полезна, но давайте рассуждать логически, нам говорят, что тепловая инерция и удельная теплоемкость материалов, из которых состоит стена, очень помогут нам если вдруг отключат отопление, а главный вопрос откуда взяться этим самым Джоулям которые накопит наша стена? Каждый килограмм стены должен накопить от 840 Джоулей, которые в перспективе, как часто заявляют, отдаст нам, но и тут есть НО - тепло "глупое" и всегда стремится к холоду, температура стены будет стараться выровняться на внутренней и наружной сторонах, и как раз вот тут балом правят теплопроводность и термическое сопротивление с сопротивлением теплопередаче. Коэффициент теплоотдача внутренней поверхности стены - 8,7 Вт/(М2*C), а коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены - 23 Вт/(М2*C) и куда же пойдет основная часть накопленной нами в стенах энергии?
И возникает вопрос: не выгоднее ли копить энергию в материалах, которые находятся в пределах ограждающей конструкции с термическим сопротивлением R= 4,68 и сопротивлением теплопередаче Ro= 4,838? А создать условия, для этого самого накопления, в каркасном доме достаточно легко, к примеру организовать полусухую стяжку на полах из фанеры или ЦСП и в таком случае мы получим достаточно массивный слой материала с большой теплоемкостью, который при этом не будет контактировать с наружным воздухом и как следствие теплоотдача "на улицу" будет происходить медленнее так как теплоотдаче будет противостоять слой с высоким сопротивлением теплопередаче.