Утепление квартиры и дома современными материалами

Прежде чем приступить к выбору материалов и выполнению постройки, необходимо определить физико-климатические параметры, а также характер воздействия внешних факторов на сооружения. Помимо этого, следует установить, от чего зависят тепловые потери жилых домов, размещаемых в том или ином районе. Нелишней окажется информация о существующих и используемых в практике способах повышения теплоизоляционных качеств конструкционных элементов зданий.

Выбор теплоизолирующих материалов с учетом физико-климатических факторов

Сегодня уже невозможно установить, хотя бы приблизительно, время возникновения первого жилища человека. Вероятнее всего, первобытные люди стали возводить укрытия для того, чтобы защититься от сильного ветра и полуденного зноя. Материалом для таких построек служили ветви деревьев, которые, скрепив между собой, обмазывали густым глиняным раствором.

Безусловно, жилища древних людей северных и южных районов отличались друг от друга. И это закономерно, поскольку при разных климатических условиях требовались укрытия с различной конструкцией. Отличались такие жилища и набором материалов, используемых для их выполнения. Так, для областей с суровым северным климатом были характерны постройки с толстыми стенами и перекрытиями и с узкими оконными проемами.

Напротив, в южных районах преобладали легкие постройки, сделанные из стеблей бамбука или тростника. Этого было достаточно для того, чтобы сохранить тепло в течение довольно прохладной ночи. Главным требованием к такому жилищу была комфортабельность, а не теплоизоляционные характеристики. Следовательно, можно говорить о том, что выбор теплоизолирующих материалов, из которых планируется возводить жилище, в основном зависит от климатических факторов на той или иной территории.

Все конструкционные элементы постройки можно условно разделить на 2 вида: несущие и ограждающие. К числу первых принадлежат перекрытия, балки, стропила и колонны. Вторая группа представлена также перекрытиями, наружными стенами, дверями и окнами.

Указанные выше конструкции характеризуются различными функциями. Так, несущие элементы призваны принимать на себя основную нагрузку, обусловливая таким образом устойчивость и надежность постройки. Ограждающие детали сооружения предназначены для того, чтобы защитить помещения от воздействия атмосферных осадков.

Для получения прочного сооружения важно выбирать материалы, которые обеспечивали бы теплоизоляцию прежде всего ограждающих элементов. Только при таком условии постройка защитит от ветра, снега, дождя и сохранится в течение длительного времени.

Однако, подбирая ограждающие строительные материалы, мало уделять внимание только их теплоизоляционным свойствам. При их выборе важно учитывать также архитектуру, форму и назначение будущей постройки. При этом именно теплоизолирующие материалы нужно подбирать в соответствии со стилем и архитектурными особенностями сооружения, а не наоборот. Одним из главных условий выбора теплоизолирующих материалов является их совместимость с архитектоникой здания. Только так можно получить одновременно теплое, прочное и функциональное сооружение.

При возведении жилища важно учитывать действие физико-климатических факторов, к которым относятся прежде всего объем выпадающих осадков, уровень влажности и температуры воздуха, а также снежного покрова в зимний период, направление и скорость ветра. Помимо этого, значимыми являются и показатели количества пасмурных и ясных дней.

Таким образом, к группе физико-климатических факторов, учет которых обязателен в жилищном строительстве и в дальнейшей эксплуатации сооружений, следует причислять факторы, оказывающие определенное влияние на температурный уровень и степень влажности конструкционных элементов постройки. Следовательно, наиболее значимыми из них оказываются климатические факторы (температурные условия и режим влажности), что становится определяющим для эксплуатационных характеристик как наружных деталей сооружения, так и его внутренних помещений.

Следует заметить, что при проведении расчетов такого физико-климатического фактора, как температура воздуха, учитываются средние величины. Известно, что на территории одного и того же района возможны значительные температурные колебания не только в пределах нескольких лет, но и сезона.

Для того чтобы расчеты оказались как можно более точными, во внимание берут средние показатели установленных за выбранный промежуток времени температур воздуха. При этом высчитывают минимальный температурный уровень за 3 и 5 суток. Следует вычислить и самый низкий уровень температуры наружного воздуха.

При возведении какой-либо постройки на этапе проектирования предварительно высчитывают среднюю внутреннюю и наружную температуру воздуха в холодный сезон.

Кроме того, необходимо произвести расчет показателей скорости ветра. Такие параметры являются особенно значимыми при выборе стеновых конструкций и способа их воздухозащиты.

Россия – огромная страна, территория которой разделена на несколько климатических зон, различающихся своими характеристиками. Считается, что именно в нашей стране в сравнении с Европой и Америкой самый суровый климат в зимний период. Это действительно так. И анализ физико-климатических факторов доказывает это.

Так, например, среднегодовая температура воздуха в летний и зимний сезоны в Копенгагене, составляет соответственно +7,7° C и –0,4° C, а в Москве – +3,8° C и –10,2° C. Поскольку физико-климатические условия обусловливают продолжительность отопительного периода, то показатели последнего в указанных городах также существенно различаются: 152 дня – в Копенгагене и 212 дня – в Москве.

Выбор теплозащитных материалов для несущих конструкций окажется правильным только при условии учета в момент проектирования сооружения разницы между величинами температур наружного воздуха. Различие в показателях можно наблюдать на протяжении не только различных времен года, но и в пределах суток. Как известно, в ночные часы воздух не прогревается солнечными лучами, а потому он более холодный в сравнении с температурным режимом в дневное время суток.

Таким образом, справедливо утверждение, что ночью наружные поверхности конструкционных элементов постройки охлаждаются, что в дальнейшем приводит к понижению температуры и внутренних ее частей. Скорость снижения температуры ограждающих конструкций обусловлена их способностью транспортировать тепло, то есть уровнем теплопередачи. Такая характеристика строительных материалов – возможность сохранять или перераспределять тепло – получила наименование инерционности. В физике ее обозначают буквой «Д».

В строительстве различают материалы, обладающие малой (Д = 1,5–4 единицы), средней (Д = 4–7 единиц) и большой (Д > 7 единиц) инерционностью температурного режима. Помимо этого, существуют так называемые безынерционные (Д < 1,5) строительные материалы.

В группу строительных материалов с большим показателем инерционности входят древесина и полнотелый кирпич, изготовленный из глины или силикатного сырья. Выполненные из дерева или кирпича сооружения способны сохранять тепло в холодное время года и прохладу – в знойные дни.

К числу среднеинерционных строительных материалов принадлежит пустотелый кирпич. А малой инерционностью обладают те, которые изготовлены из стеклокерамики.

Уровень влажности воздуха также учитывают при проектировании воздухозащиты конструкционных элементов постройки. Подобные расчеты нужны при выборе ограждающих частей сооружения и облицовочных материалов, которые помогут защитить каркас от действия осадков и влаги.

Показатели влажности воздуха не случайно определяются как негативный физико-климатический фактор, их учет обязателен при проектировании сооружений различного назначения и выборе материалов для строительства.

Влага в сравнении с воздухом, который характеризуется высоким уровнем теплоизоляции, напротив, отличается хорошей теплопроводностью. Для того чтобы снизить отрицательное воздействие воды, при изготовлении строительных материалов используют особые технологии. Так, например, многие из них имеют заполненные воздухом поры и отверстия. Таким образом достигается повышение их теплоизоляционных свойств.

Однако при наличии физико-климатических условий с высоким уровнем влажности воздуха теплоизоляционные качества строительных материалов значительно снижаются. Более того, вода, растворяя входящие в состав сырья компоненты, оказывает разрушительное воздействие на конструкционные элементы. В результате этого наблюдаются размокание стен, повышение уровня влажности воздуха и понижение температуры во внутренних помещениях. В свою очередь, это становится фактором, значительно ухудшающим эксплуатационные качества постройки.

Необходимо отметить, что в атмосферном воздухе, помимо газов, имеется определенное количество водяного пара. То количество воды, которое содержится 1 м3 воздуха, принято определять как абсолютную влажность. Единицей ее измерения является г/м3.

Для того чтобы установить, насколько воздух насыщен влагой, существует другое понятие – относительная влажность. Она измеряется в процентах и является выражением отношения реальной упругости водяного пара, содержащегося в воздушной массе, к его максимальной упругости при определенных температурных условиях.

Наиболее значимыми для показателей испарения с поверхности конструкционных элементов постройки являются величины относительной влажности воздуха. Найти их можно в специальных строительных справочниках. При этом между указанными явлениями наблюдается обратная связь, а именно: чем ниже уровень относительной влажности воздуха, тем более интенсивно испаряется влага.

Вот почему показатели относительной влажности воздуха весьма важны в процессе выполнения проекта и при дальнейшей эксплуатации жилых и нежилых зданий. Учет скорости испарения влаги имеет особое значение, поскольку капельки воды не только улетучиваются с поверхности конструкционных элементов сооружения, но и выходят из поверхностных слоев материала. Именно поэтому сухие строительные материалы, характеризующиеся высоким уровнем теплоизоляции, способны создавать наиболее благоприятный влажностный и температурный режим во внутренних помещениях. Кроме того, они обеспечивают сохранность наружных поверхностей конструкционных элементов.

Как уже было замечено выше, строительные материалы определенного вида необходимы не только для укрепления конструкции и сохранения тепла внутри помещений, но и для регулирования уровня влажности воздуха и поглощения водяных частиц, содержащихся в воздушных массах. Подобное свойство веществ принято называть сорбцией.

Известно, что наибольшей сорбцией обладают строи тельные материалы, изготовленные из органического сырья. К ним относят древесину, фибролит, древесно-стружечные полотна и пр. В группу материалов со средним показателем способности к поглощению влаги входят керамзитобетон, минеральная вата и минеральный войлок, кирпич, пенопласт.

Скорость проникновения влаги в толщу строительного материала обусловлена его плотностью. При этом сорбция того или иного вещества является достаточно значимым показателем, величину которого нельзя не учитывать при проектировании построек, поскольку он оказывается определяющим для срока эксплуатации сооружения.

При возведении постройки, помимо указанных выше факторов и показателей, нужно принимать во внимание также скорость высыхания поверхности элементов конструкции. Например, было замечено, что при нормальном уровне влажности воздуха процесс испарения влаги из поверхностных слоев бетонной заливки происходит быстрее, чем отвердение и связывание.

Именно данное свойство бетонной массы нередко в дальнейшем приводит к растрескиванию поверхности, что, несомненно, уменьшает прочностные качества используемых конструкционных элементов. Подобное явление чаще всего наблюдается в южных и юго-восточных областях, характеризующихся сравнительно высокой температурой воздуха.

Теплоизоляционные свойства ограждающих конструкционных деталей во многом зависят от скорости и силы ветра. Как известно, в ветреную погоду мороз кажется сильнее. Чрезмерное остывание постройки происходит вследствие того, что вокруг нее образуются ветровые потоки, движение которых приводит к ослаблению теплоизоляционных показателей и снижению температурного уровня внутри помещений.

В настоящее время ученые доказали существование прямой связи между температурой во внутренних помещениях постройки, скоростью и характером ветра. Кроме того, следует учитывать повторяемость направления движения ветра и периодичность таких повторений. Учет данных факторов обязателен при проектировании сооружения и подборе строительных материалов.

Для того чтобы измерить приблизительную скорость ветра, можно использовать 12-бальную шкалу Бофорта. Она была разработана в 1806 году английским адмиралом Ф. Бофортом. Шкала скорости ветра и сегодня применяется в мореходной практике. С ее помощью можно измерить силу воздушного потока на возвышенности высотой не более 10 м либо на ровном участке.

Так, 0 баллов по шкале Бофорта определяется как полный штиль. При этом, например, дым из печной трубы поднимается строго вверх, а на море не заметно волнения. 2 балла по шкале Бофорта – это легкий ветер, скорость которого составляет от 1,6 до 3,3 м/с. При этом ощущается едва заметное движение воздушных масс, наблюдается слабое вращение флюгера, а на море видны небольшие волны.

Ветер существенно влияет на прочность и надежность сооружений. Наибольшее воздействие воздушный поток оказывает на обращенную к нему поверхность конструкционных элементов постройки. Эта область называется зоной ветрового напора, или повышенного давления (рис. 1).

Рис. 1. Схема зон ветрового напора, или повышенного давления: 1 – ветровое давление; 2 – изменение ветрового потока; 3 – направление движения воздушных масс

Считается, что именно через нее холодные потоки воздуха, проходя через мельчайшие поры в конструкционных элементах, интенсивно проникают внутрь помещений. В результате этого наблюдается резкое охлаждение постройки и внутренних помещений. Подобный процесс обозначается термином «инфильтрация», а обратное ему явление принято называть «эксфильтрация».

Со стороны, противоположной указанной выше области, ветрового напора стороны образуется так называемая зона ветрового отсоса, или пониженного давления. В итоге формируются значительные колебания атмосферного давления. Это, в свою очередь, приводит к увеличению скорости продвижения воздушных масс внутри помещений. Такое явление в народе называют сквозняком. Он становится причиной снижения температуры воздуха во внутренних комнатах и увеличения интенсивности теплоотдачи.

Для того чтобы предотвратить описанные выше негативные явления, на стадии проектирования следует провести анализ преобладающего направления ветра и его силы. Затем нужно будет разместить с учетом полученных данных постройку и подобрать необходимые утеплители.

В качестве мероприятий, направленных на защиту сооружения от ветров, рекомендуется:

– уплотнение дверных и оконных проемов, максимальное их сочленение с поверхностью стен;

– максимально возможное сопряжение стен;

– использование в качестве наружного ограждения таких материалов, главной характеристикой которых является высокая воздухопроницаемость;

– размещение оконных проемов на одной стороне постройки, что поможет предотвратить образование сквозняков.

Следует отметить, что связь между ветровым потоком и постройкой взаимообратная. Дело в том, что не только ветер оказывает определенное воздействие на конструкцию, но и она сама влияет на свойства движущихся воздушных масс. В частности, встречая на своем пути сооружение, меняется как направление ветра, так и его скорость, которая значительно снижается. Нередко постройки оказываются причиной формирования потоков воздуха. Именно видом конструкции часто обусловлено направление ветра (рис. 2).

Рис. 2. Изменение направления движения воздушных масс в зависимости от конструкции здания

Суммируя все сказанное выше, нужно отметить, что важным условием удачного проектирования постройки является учет ряда определяющих физико-климатических факторов, к числу которых прежде всего следует отнести температуру и уровень влажности воздуха, направление и скорость движения воздушных масс. Только таким образом можно защитить в дальнейшем конструкционные элементы от деформации и разрушения, а также значительно увеличить срок эксплуатации сооружения.

Теория теплопередачи – основа строительства

Современные физики говорят о 3 явлениях, выражающих теплопередачу, – теплопроводности, излучении и конвекции. Каждое из них обладает собственными характеристиками. Так, при определении свойств однородных твердых тел говорят о теплопроводности. Ее суть заключается в способности одного объекта передавать тепло другому при соприкосновении либо посредством промежуточного проводника (рис. 3).

Рис. 3. Теплопроводность как путь передачи тепла: 1 – штукатурка; 2 – кирпичная кладка

Все строительные материалы можно условно разделить на группы в зависимости от данного параметра. Наиболее высокой теплопроводностью обладают такие материалы, как металл, железобетон и мрамор. А у воздуха этот показатель, наоборот, довольно низкий. Поэтому в настоящее время при возведении жилых построек для теплоизоляции часто применяют такие пористые материалы, как полиуретан, пенопласт, пенобетон и т. п.

Явление конвекции можно наблюдать в газообразных и жидких средах. В данном случае передача тепла осуществляется через движение молекул. Один из наиболее ярких примеров конвекции можно увидеть, понаблюдав за поверхностями двойного остекления оконного проема (рис. 4).

Рис. 4. Конвекция, возникающая при двойном остеклении оконного проема

При нагревании вследствие контакта с внутренним стеклянным полотном воздушные массы устремляются вверх. Там их температура резко снижается, и они опус каются. Процесс повторяется вновь и вновь. Такая циркуляция воздуха обусловливает возникновение процесса конвекционной теплоотдачи. При этом его скорость напрямую зависит от разницы температур: чем она больше, тем интенсивнее будет протекать конвекция.

Данное явление нередко наблюдается и в газообразной среде. Там же может возникать теплопередача, при которой тепло переходит с поверхности одного тела на поверхность другого через пространство. Наглядным примером такого обмена в газообразной среде является нагревание нашей планеты солнечными лучами. В данном случае тепловая энергия поступает на Землю с Солнца в форме электромагнитного излучения.

Другим примером теплопередачи в газообразной среде является нагревание внутренних стен помещений постройки через воздух с помощью радиаторов центрального отопления. При этом наблюдается прямая связь между температурой отопительных приборов и температурой в комнате. Чем горячее радиаторы, тем выше температура в помещении.