Тепловой баланс строения

Выбор типа отопительного прибора обычно начинается с оценки необходимой мощности теплового источника. Такая оценка, как правило, производится в быту крайне ориентировочно, интуитивно (то есть на основе личного опыта или «мнения соседа»), на уровне житейских понятий «хватит», «достаточно», «маловато». Действительно, редко кто рассчитывает в деталях теплопотери будущей дачной постройки и теплоотдачу задумываемой печи. Только сауны заводского изготовления порой имеют хоть какие-нибудь паспортные характеристики, да и то с учётом многочисленных поправок с погрешностью порой в два-три раза. Чаще всего обеспеченные дачники принимают решение «с запасом», чтобы потом «не жалеть», то есть устанавливают печь наиболее крупного размера, которая бы «влезла и не очень мешала».

Детальные численные расчёты в составе проектов действительно целесообразны лишь в случае ответственных проектов дорогостоящих бань, особенно создаваемых подрядчиком «под ключ». В случае рядовых бань достаточно знать лишь приблизительный уровень необходимой мощности нагрева (для правильной покупки или заказа подходящей модели печи), а также уметь сопоставить влияние различных конструктивных особенностей на теплофизические свойства печей и зданий.

Ясно, что необходимая мощность печи определяется в первую очередь характеристиками здания. Примем для оценок объём бани условно равным 10 м³ при площади ограждающих конструкций S=30 м² (коробка 2x2x2,5 м). Предположим, что топим баню зимой при температуре наружного воздуха минус 20°С, а летом — при температуре плюс 20°С, температуру внутри бани доводим до 100°С у потолка и до 20°С у пола. Температура 100°С, может быть, кому-нибудь покажется слишком высокой для паровых бань, но тем не менее она вполне достижима даже при кирпичных печах с чугунными плитами, более того, вполне характерна для нынешних дачных бань с металлическими печами. Теплофизические характеристики здания будут определяться при этом материалом стен, полов и потолков.

Предварительную оценку будем вести крайне ориентировочно по тепловому сопротивлению основного утеплительного материала ограждающего модуля без учёта пограничных слоев, то есть будем считать, что температура поверхности слоя утепляющего материала равна температурам окружающего их воздуха. После выбора конкретной конструкции (стен, окон, дверей и т. п.) можно провести более детальный поверочный (проверочный) обсчёт для подтверждения правильности (а главное, разумности) выбранного решения. Настоящая книга содержит все необходимые для этого сведения,применительно к методике СП 23-101-2000.

Рис. 62. Кондуктивные теплопотери при различных толщинах ограждающих конструкций площадью 30 м²
Рис. 62. Кондуктивные теплопотери при различных толщинах ограждающих конструкций площадью 30 м². 1 — эффективный утеплитель (пенопласт, минвата); 2 — древесина; 3 — кирпич; 4 — бетон; А — интервал теплопотерь обычных дачных строений (древесина 5-10 см, кирпич 25-50 см, пенопласт 20-40 мм); В — интервал теплопотерь ограждающих конструкций по СНиП23-02-2003 (древесина не менее 30 см, кирпич не менее 140 см, пенопласт не менее 100 мм). Расчет для зимы.

Примем для оценок, что кондуктивные теплопотери через элементы ограждающей конструкции (стены, пол и потолок) в первом приближении определяются выражением Q = ΣSiλiΔΤii где Si — площадь, λi — теплопроводность, ΔΤi — перепад температур, δi — толщина каждого элемента ограждающей конструкции. Для упрощения положим, что окон и дверей даже нет, что толщина и теплопроводность всех элементов ограждающих конструкций одинакова, то есть полы, потолки и стены бани одинаковы. В этом случае получаем Q =SλΔΤₒ, где ΔΤₒ — средний перепад температур на стенах, равный 80°С зимой и 40°С летом. Отсюда следует, что слой эффективного утеплителя (например, пенопласта) толщиной 100 мм (соответствующий современному отечественному и европейскому, условно названному нами «В», уровню теплопотерь стен жилых зданий с термическим сопротивлением не менее 2 м²•град/Вт) заменяет в плане теплоизоляции стену из бруса толщиной 30 см и из кирпича — 140 см (рис. 62). При таких стенах, полах и потолках на обогрев бани рассматриваемого размера потребуется всего порядка 1 кВт даже зимой, что может обеспечить обычный бытовой электровоздухонагреватель. При обычной толщине стен дачных и банных строений, соответствующих условному названию уровня «А» (утеплитель 40 мм или брус 10 см или кирпич 50 см), на обогрев бани рассматриваемых размеров потребуется уже 3-4 кВт зимой и 1,5-2 кВт летом.

Рис. 63. Сумма кондуктивных и конвективных теплопотерь в зависимости от кратности воздухообмена в бане объёмом 10 м³
Рис. 63. Сумма кондуктивных и конвективных теплопотерь в зависимости от кратности воздухообмена в бане объёмом 10 м³. 1 — вклад кондуктивных теплопотерь; 2 — вклад конвективных теплопотерь; А — суммарные теплопотери бань с обычными дачными стенами (см. нижнее штрихпунктирное значение интервала А на рис. 62), В — суммарные теплопотери бань с утеплёнными стенами по СНиП23-02-2003, пенопласт 100 мм (см. верхнее штрихпунктирное значение интервала В на рис. 62).

Помимо кондуктивных теплопотерь через стены имеются конвективные теплопотери на нагрев вентиляционного воздуха, увеличивающиеся пропорционально кратности воздухообмена (рис. 63). Количественный вклад конвективных теплопотерь не зависит от материала стен и уровня кондуктивных теплопотерь, но относительный вклад в тепловом балансе увеличивается при утеплении стен. Так, при нормативном термическом сопротивлении стен по СНиП23-02-2003 вклад конвективной составляющей начинает превышать вклад кондуктивной составляющей теплопотерь при кратности теплообмена более 4 раз в час (прямая В). При обычных бревенчатых (брусовых) стенах толщиной 10 см вклад конвективной составляющей численно остаётся тем же, но относительный вклад становится незначительным (прямая А). Так или иначе, при высокой кратности воздухообмена мощность нагрева порядка 1 кВт уже окажется явно недостаточной даже при сколь угодно хорошо утеплённых стенах и при сколь угодно сниженных теплопотерях через окна и двери.

В целом, из рисунков 62 и 63 видно, что для поддержания выбранного температурного режима в бане рассматриваемого размера необходима номинальная мощность теплового источника не менее (2-3) кВт в банях с эффективным утеплителем и (3-5) кВт в брусовых банях. Такой уровень мощности нагрева труднодостижим с помощью цельнокирпичных печей.

Что касается иных размеров бань, то необходимо отметить следующую важную закономерность (рис. 64). Кондуктивные теплопотери через стены пропорциональны площади ограждающих конструкций, то есть в случае условно кубической формы строения пропорциональны 6а²λ, где а — размер грани куба, λ — коэффициент теплопроводности стен. Конвективные потери на нагрев вентиляционного воздуха при фиксированной кратности воздухообмена пропорциональны объёму бани а³. То есть соотношение вкладов конвективной и кондуктивной составляющих теплообмена пропорционально а³/λ а² =а/λ. Это значит, что при больших λ и малых размерах бань (малых объёмах) всегда преобладают кондуктивные теплопотери, а при λ малых и больших размерах бань — конвективные.

Рис. 64. Уровень теплопотерь в зависимости от характерного размера строения (а) при фиксированной кратности воздухообмена 6 раз в час
Рис. 64. Уровень теплопотерь в зависимости от характерного размера строения (а) при фиксированной кратности воздухообмена 6 раз в час. 1 — конвективные теплопотери при фиксированной кратности вентиляции, пропорциональные объёму строения а³; 2 и 3 — кондуктивные теплопотери через стены из пенопласта (2) и бруса (3) толщиной 100 мм, пропорциональные площади ограждающих конструкций 6а². Сверху слева показан качественный характер хода кривых х=а² и х=а³ (отвечающих ходу кондуктивных и конвективных теплопотерь), имеющих точку пересечения (обозначенную большой чёрной точкой) Прямая 4 отвечает конвективным теплопотерям, отвечающим фиксированной скорости вентиляции 200 м³/час.

Так, если кратность воздухообмена составляет 6 час1 и если стены утеплены в соответствии со СНиП23-02-2003, то конвективные теплопотери начинают преобладать при объёмах бани уже 2-3 м³ и выше (рис. 64). Это значит, что при очень «тёплых стенах» мощность теплового источника должна быть пропорциональна объёму помещения, что и рекомендуется финскими компаниями для сухих саун (с некоторыми поправками). Но если стены не очень «тёплые» (например, изготовлены из бруса толщиной 10 см), то конвективные теплопотери начинают преобладать лишь при очень больших объёмах бань более 100 м³. То есть, если стены не очень «тёплые», то мощность теплового источника должна быть пропорциональна площади ограждающих конструкций бани.

Конечно, фиксированная кратность воздухообмена на уровне (5-6) час1 в случае бань большого размера оправдана лишь для сухих многоместных саун с высокой «производительностью» по потоку людей и с «плотной установкой» людей в сауне из расчёта (3-5) м³ на одного человека. В представительских саунах для немногочисленных посетителей достаточна вентиляция (20-30) м³/час на одного человека. В этом случае ситуация изменяется в корне: при фиксированном проходном сечении вентотверстий, то есть при фиксированной скорости воздухообмена (например, 200 м³/час на семь-десять человек) в маленьких банях получается высокая кратность вентиляции, а в больших — малая (кривая 4 на рис. 64). Вклад конвективной составляющей при этом может стать преобладающим лишь при малых размерах бань. Этот факт используется в русских паровых банях: паровой режим легко реализуется в крупных банных помещениях (объёмом более 50 м³), а в малых банных помещениях (объёмом 10 м³ и менее) легче реализуется сухой режим.

В то же время если закрыть вентиляционные отверстия вообще, то паровой режим легче получить как раз в малых банях. Все эти «противоречия», естественно, вызваны неоправданной фиксацией /при численном анализе/ того или иного параметра вентиляции и часто приводят к путанице в популярной банной литературе.

Источник: health.totalarch.comДачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер