Коэффициент теплообмена а выражает количество тепла, которое за одну секунду обменивается между 1 м2 твердой поверхности и касающимся его воздухом, когда разница температур между поверхностью и воздухом составляет 1 К. Единица измерения: Вт/(м2*К).

Рис. 2.11. Нормированные значения коэффициента сопротивления теплопередаче для различных регионов России в соответствии с действующими СНиП

Тепловые потери через расчетные строительные конструкции, а именно наружные стены, пол, верхнее междуэтажное перекрытие или крышу, характеризуются коэффициентами теплопередачи U, Вт/(м2*К) (в действующих СНиП РФ используется обратная величина R02*°С)/Вт). Эта величина показывает, сколько тепла отдается строительной конструкцией наружу в единицу времени при изменении температуры на 1 °С (или 1 К).

Для расчета тепловых потерь через стену необходимо перемножить коэффициент U, площадь и разность температур. Например, типичный коттедж имеет снаружи площадь стен 100 м2. При суровых условиях в зимнее время в Средней Европе наружная температура составляет -12 °C, а требуемая внутренняя температура 21 °C. При различных значениях коэффициентов теплопередачи получается следующая мощность тепловых потерь (тепловой поток) через наружные стены при "расчетных условиях" (см. табл. 2.3).

Таблица 2.3. Расчетная мощность тепловых потерь 1

через наружные стены

U, Вт/(м2хК) или Ro, (м2х°С)/Вт

Мощность тепловых потерь, Вт

Нормируемый годовой расход тепла на отопление, КВтч/(м2хгод)

В Средней Европе

В России

1,00 (1,00)

3300

5100

78

0,80 (1,25)

2640

4080

62

0,60 (1,67)

1980

3060

47

0,40 (2,5)

1320

2040

31

0,20 (5,00)

660

1020

16

0,15 (6,67)

495

765

12

0,10 (10,00)

330

510

8

Тепловые потери являются решающей составляющей энергетического баланса здания. Любые тепловые потери необходимо компенсировать соответствующими тепловыми поступлениями. В противном случае произойдет падение температуры в доме.

С помощью компактной типовой системы отопления для пассивного дома можно выработать около 1000 Вт мощности (это мощность обычного фена для сушки волос). Так как большая часть этой мощности пойдет на компенсацию тепловых потерь от наружных стен, то, конечно же, коэффициент теплопередачи стены U должен быть действительно очень низким (или должно быть очень высокое значение сопротивления теплопередаче R0).

Что же это означает для теплоизоляционной оболочки здания? В первую очередь становится ясно, что достижения таких низких величин U (или высоких R0) возможно только благодаря материалам с высокими теплоизоляционными характеристиками. В табл. 2.4 приведена информация о том, какой толщины должны быть однослойные наружные конструкции, чтобы достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций дома с величиной U< 0,13 Вт/(м2хК) (или R0 > 7,7 (м2*0С)/Вт).

Таблица 2.4. Данные о толщине однослойных наружных конструкций, позволяющих достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций пассивного дома1

Материал

Коэффициент теплопроводности,

Вт/(м°хС)

Требуемая толщина в м для достижения U = 0,13 Вт/(м2хК) или Ro = 7,7 (м2х°С)/Вт

Стандартный бетон

2,1

15,80

Полнотелый кирпич

0,800

6,02

Пустотелый кирпич с вертикальными пустотами

0,400

3,01

Древесина хвойных пород

0,13

0,98

Пористый кирпич, ячеистый бетон

0,11

0,83

Таблица 2.4 (окончание)

Материал

Коэффициент теплопроводности,

Вт/(м°хС)

Требуемая толщина в м для достижения U = 0,13 Вт/(м2хК) или Ro = 7,7 (м2х°С)/Вт

Тюки из соломы

0,055

0,41

Эффективный утеплитель

0,04

0,30

Высокоэффективный утеплитель

0,025

0,19

Нанопористый суперутеплитель с нормальным давлением

0,015

0,11

Вакуумная теплоизоляция (кремнезем)

0,008

0,06

Вакуумная теплоизоляция (глубокий вакуум)

0,002

0,015

В таблице наглядно показано, что разумные границы по толщине наружной оболочки здания возможны только в том случае, если достигается существенный теплоизоляционный эффект с использованием утеплителей с низкими значениями коэффициентов теплопроводности. Для этого подходят все материалы, расположенные в табл. 2.4. Конечно же, комбинация с другими материалами не только возможна, но и во многих случаях необходима. Например: утепленная снаружи бетонная стена или монолитная стена из пенобетона с теплоизоляционными плитами из силиката кальция. Конструкция наружной оболочки будет тем тоньше, чем ниже коэффициент теплопроводности используемой теплоизоляции. Так, для пассивного дома (в условиях Германии) при применении в качестве наружных стен блоков из прессованной соломы необходимая толщина составит около 50 см или более. При применении более эффективных утеплителей (минеральная вата, пенополистирол, целлюлозная теплоизоляция) толщина теплоизоляции составит около 30 см. При использовании высокоэффективных утеплителей, таких как пенополиуретан, толщина теплоизоляции снизится до 20 см. Есть и еще более эффективные виды теплоизоляции. Так, например, в Германии в настоящее время допущена к применению вакуумная теплоизоляция. С использованием вакуумных изоляционных панелей (ВИП) можно действительно получить очень эффективную и одновременно тонкую наружную оболочку. Не менее успешно зарекомендовал себя и другой вариант - "полупрозрачная теплоизоляционная оболочка". При этом суммарная солнечная радиация абсорбируется не на поверхности оболочки, а проходит в глубину теплоизолированной конструкции, чтобы снизить разность температур и достичь низкого значения коэффициента теплопередачи U, эквивалентного требуемым значениям.

Опыт строительства первых пассивных домов показал, что увеличение толщины эффективной теплоизоляции можно реализовать в большинстве случаев:

П Во многих случаях при строительстве предусмотрена площадь под теплоизоляцию. Если площади не хватает или это требует больших финансовых затрат, то можно применить высокоэффективные теплоизоляционные материалы.

П Увеличение толщины теплоизоляции со строительной точки зрения не представляет проблем. При правильном применении затраты на монтаж теплоизоляции не выше, чем при меньших толщинах. Остаются только повышенные затраты на закупку большего количества теплоизоляционного материала, который все же сравнительно недорог. Как на практике выглядят конструкции оболочки пассивного дома с использованием различных материалов, будет показано далее на примерах.

П Все применяемые сегодня стандартные элементы ограждающих конструкций зданий адаптированы и для пассивных домов. Существуют разнообразные варианты: кирпичные стены, двухслойные или со скрепленной теплоизоляцией (система теплоизоляции с тонким штукатурным слоем) или с навесным фасадом (фасадная система с вентилируемым зазором), сборные строительные элементы из легких бетонов, сборные железобетонные элементы, деревянные конструкции (классические или с использованием легких балок), несъемная опалубка, металлические конструкции и полупрозрачные элементы.

П Результаты измерений в построенных пассивных домах показали, что увеличение толщины теплоизоляции оправдывает ожидания. Фактические значения тепловых потерь совпадают с расчетными. Строительные элементы с увеличенным слоем теплоизоляции, применяемые в пассивных домах, имеют значительное преимущество по сравнению с традиционными.

П Благодаря низким тепловым потерям автоматически повышаются значения температур на внутренних поверхностях наружных стен зимой, даже без применения отопительных приборов. Благодаря этому снижается интенсивность конвективного теплообмена в помещении, что является хорошей предпосылкой для создания комфортного микроклимата. Высокие значения температур на внутренних поверхностях наружных стен приводят, кроме того, к снижению уровня влажности на поверхностях строительных конструкций, что практически исключает их повреждение вследствие увлажнения.

П В летнее время температуры на внутренних поверхностях наружных стен примерно совпадают с температурой воздуха в помещениях. Иначе говоря, они ниже, чем при плохо теплоизолированных строительных конструкциях. При плохой теплоизоляции в жаркое время года тепловая энергия интенсивно переносится внутрь помещения, что приводит к летнему перегреву. Хорошо утепленные конструкции имеют значительное уменьшение амплитуды колебания температуры уже при незначительном весе (например, двойной гипсокартон в качестве несущей части). Уже благодаря этому достигается оптимальный температурный режим конструкции в летний период. Очень важной является продолжительная постоянная времени здания (инерционность здания). Она получается благодаря усиленной теплоизоляции и позволяет эффективно использовать открытые (без отделки материалами с низкими значениями теплоусвоения) внутренние поверхности массивных конструкций здания (стены, полы, потолки). Вследствие этого пассивный дом можно достаточно эффективно охладить благодаря ночному проветриванию и удерживать прохладу в течение дня. "Летние условия" должны быть точно так же запроектированы, как и зимние. Для этого используется специальная рас четная программа "Пакет проектирования пассивного дома" (PHPP)1.

П Строительные конструкции с усиленной теплоизоляцией лучше сглаживают влияние "тепловых мостиков" (по наружным размерам), чем стандартно утепленные. Это особенно важно при капитальном ремонте и реконструкции старых зданий. Так как несущие конструкции и внутренний несущий слой ограждающих конструкций расположены за толстой теплоизоляцией, то они (за исключением стыковых и прочих соединений) находятся полностью в "теплой" области (т. е. их температуры практически равны внутренним температурам в помещениях).