Info Ошибки в СП по теплозащите и их последствия

Тема больше теоретическая, относится к любым типам домов, куда вставить - не знаю (может какой теор. раздел сделать?).
Пытался поднять тему на форум-хаус - тупо, без объяснений, грохнули несколько страниц с расчетами, там было много интересного, жалко.

Коротко утверждения:
- Экономика утепления в СП по теплозащите - недооценена. В разы.
Причин недооценки (грубой ошибки в СП) - две:
1. В СП, длительность отопительного, ГСОП, является функцией местности.
В реальности, при учете внутреннего тепловыделения жилья, это функция местности и теплопотерь здания (теплозащиты).
2. Цены на энергию рассматриваются, как константы. При этом за 9 лет (2001-2010) рост цен на отопление 600%, за 12 лет рост цен на электро 620%, при росте инфляции за 12 лет на 140%. Источник.

В сущности, такая динамика означает рост затрат на отопление вчетверо каждые 10 лет. Рост объективный, с учетом инфляции. Что приводит к ситуации:
- сегодня, при доходе в 100 тыс. руб./мес - 5 тыс.руб./мес на отопление - неважно.
- через десять лет, при пенсии в 15 тыс. руб., рост затрат на отопление до 20 тыс - является финансовой катастрофой.

В примере, на реальном годовом трехчасовом температурном графике (Вологда, 2015), будет показано и обосновано снижение затрат на отопление в 209 раз, при снижении удельных теплопотерь здания (Вт/К) в 10 раз.

Подход СП к нормативам тепловых сопротивлений - понятен. Затраты на изоляцию - это инвестиции. Доход от инвестиции должен, как минимум перекрывать банковские предложения.
При этом, любые инвестици должны оцениваться с учетом динамики цен. В СП - не сделано.

Реальные, экономически обоснованные сопротивления изоляции, отличаются от СП в 2-3 раза, в сторону увеличения.

Далее, будут обоснования утверждений и расчеты. Просьба сразу тапками не кидаться, дайте выложить вначале.

 

Теперь обоснования и цифры.

У метереологов, есть стандартные трехчасовые графики, т.е. замеры температуры каждые три часа в течении года. Брать тут (но у белорусов сейчас прикрывают архивы), или на rp5.ru (пока не закрыты).

Проинтегрировав такой график (Вологда, 2015) по температуре, мы получаем вот такую картинку.
По абсциссе - температуры, по ординате, сколько часов в году было с этой температурой.
Видим, что распределение с двумя модами (пиками), вторая мода (+12С) - межсезонье. Окрестности мод - близко к нормальному (Гауссову), при этом медиана распределения, лежит вблизи нуля, т.е. становится ясно, за что следует бороться. Заодно - становится понятным +8С, как начало отопительного, это нижний экстремум межсезонья (начало/конец).

Далее простая, на пальцах, цепочка:
- в доме, есть "бытовой" источник тепла. Люди, бытовые приборы.
- предположим, есть дом, который имеет бытовой источник мощностью 500 Вт (200 Вт - пара человек и 230 кВт*ч/мес по счетчику, т.е. 300 Вт средней из розетки).
- предположим, что этот дом, не нужно топить вплоть до начала отопительного, т.е. при средней +8С за бортом, наши 500 Вт нагревают дом до +20С, т.е. поднимают температуру внутри на 12К.
- предположим, что мы утепляемся, меняем окна, ставим рекуператоры и пр. - в результате вдвое снижаем теплопотери. Тогда, строго по науке, наши 500Вт, поднимут температуру в доме уже не на 12К, а на 24К. Т.е. вплоть до -4С на улице, в доме будет +20С
- очевидно, что количество дней в году с температурой ниже -4С, гораздо меньше, чем количество дней с температурой +8С.
ОЧЕВИДНО, ЧТО СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОПОТЕРЬ, ПРИВОДИТ К УМЕНЬШЕНИЮ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТОПИТЕЛЬНОГО СЕЗОНА.

Таким образом, мы доказали, что длительность отопительного сезона, является функцией как местности, так и теплопотерь дома.

Более того, если дом из примера выше будет стоять в местности, где зимой не бывает ниже -4С, это означает, что увеличив теплозащиту вдвое, мы снизили затраты на отопление от какой-то цифры, ДО НУЛЯ. Т.е. в БЕСКОНЕЧНОСТЬ РАЗ. Все это НЕ УЧТЕНО В СП.

 

Теперь к цифрам, как снижение теплопотерь, связано с затратами на отопление.

На картинке, три дома. С удельными теплопотерями 187, 70, 18 Вт/К.
Физический смысл таких потерь - прост:
- Это потребная мощность подогрева, для подъема температуры в доме на один градус.

Из этого, легко считается мощность обогрева, необходимая при любой разности температур. Например, дом с потерями 187Вт/К, при уличной -30 и комнатной +20, имеем разность температур 50К. Для того, чтоб этот дом нагреть на 50К, нужна мощность 187*50=9350 Вт.

Расчет, представленный картинкой, был выполнен на том же трехчасовом графике Вологды за 2015 год. Идея простая. Известны:
- сколько ватт нужно данному дому при -30С, -29С и т.д.
- сколько часов в году была такая температура
Остается выяснить - сколько энергии будет потрачено за год.

Результаты расчета в рублях за год, для домов с потерями 187, 70, 18 Вт/К, при отоплении от электричества с тарифом 3 руб/кВт*ч:
71715, 19672, 343 руб/год.

Таким образом, снижение удельных теплопотерь дома, на порядок (с 187 до 18 Вт/К) - приводит к снижению затрат на отопление в 71715/343=209 РАЗ.

Осталось мелким шрифтом, для любознательных.
1. Неточности расчета.
1.1. Не учтена инсоляция.
1.2. Расчет ведется из допущения, что ветер дует одновременно на все стены, пол и крышу (что их поверхности, строго уличной температуры). Т.е. это расчет "НЕ БОЛЬШЕ". Реальные потери - будут меньше, но характер отношений не изменится.
1.3. В _этом_ расчете - не учтена динамика, т.е. в реальности погода не прыгала мгновенно с одной температуры на другую, причем строго на целые градусов.

2. Что такое теплое сопротивление, физический смысл:
Это температура, на которую поднимется внутренняя поверхность стены, если на ее квадратный метр, подать тепловой поток мощностью в 1Вт. Измеряется в К*м2/Вт

3. Как получить эти удельные потери (Вт/К).
Берем избушку 5*5*2,5 (внутри). Окна 3 м2, сопротивление 0,5, живут два человека, вентиляция 60 м3/ч. Для простоты, пусть будет избушкой на курьих ножках, т.е. пол висит в воздухе, сопротивление всех ограждений 1. Считаем ее удельные потери.
- Потери ограждений. Их площадь 5*4*2,5+50-3=97м2. Если сопротивление 1, т.е. один ватт на квадрат повысит температуру на градус, то для повышения на градус 97 м2 площади, очевидно потребуется 97 Вт. Т.к. мы хотим повысить на градус, то 97 Вт/К. Эта мощность, будет уходить через пол, стены потолок, на каждый градус разницы дом-улица.
- Потери окон. 3/0,5=6Вт/К
- Потери вентиляции. Чтоб нагреть кило воздуха на градус, нужен 1 кДж. В кубе 1,2 кг, т.е. нужно 1,2 кДж, а литр - 1,2 Дж.
60 м3/ч, это 16,7 л/сек, а Дж/сек=Вт. Соотв. для нагрева 16,7 л/сек на градус, нужно 16,7*1,2=20Вт. Потери вентиляции 20 Вт/К.
Всего, на каждый градус разницы дом - улица нужно 97+6+20=123 Вт.
Удельные потери такого домика - 123 Вт/К

 

Мифы и легенды.
1. Смысла суперутепляться нет, все равно, основные потери это вентиляция (как вариант окна).

Для проверки утверждения, сделаем другую модель, со следующим алгоритмом:
Разобьем год на интервалы по 10 минут.
Зная теплоемкость дома, его удельные потери, температуры внутри и снаружи, мощность выделяемую в доме, строим экспоненту нагрева (если в данный момент работает обогреватель), или остывания (если выключен).
Решив уравнение, получим температуру в доме на конец этой десятиминутки.
Получив температуру, принимаем решение о включении(или отключении) обогревателя
Смотрим (по тому же трехчасовому графику) температуру улицы на следующую десятиминутку года, решаем эту десятиминутку и так до конца года.
Заодно, введем в модель всю энергетику, вплоть до температуры воды в скважине, высоты подъема воды и энергозатрат на очистные.
Модель, можно взять тут.


Расчет для дома 9*12, два человека, 60 м3/ч, с рекуператором 50% (т.е. по энергозатратам, как 30 м3Ч).

Результат. Доли потерь на ограждения, окна вентиляцию 0.46, 0.36, 0.18. Даже при сопротивлениях ограждений 12 (это полметра минваты), основные потери - через ограждения.

Основные потери в вентиляцию - это миф. Основные потери идут через ограждения, даже при утеплении ограждений полуметровым слоем.

 

ФХ ангажирован на продвижение товаров и услуг .
Зачем им Ваши расчёты..

 

А вот не надо по разным форумам бегать.

 

Получилось спонтанно. Была хорошая тема про физику в строительстве, начал парень-физик. Потом все съехало на попытки посчитать восьмой знак кривизны сферического коня, борьбу за тепловые волны в стене - тема протухла.

Кинул туда про недооценку теплозащиты, потому че-то понесло, решил в одном месте собрать пописульки, наработки - типа справочника. То, что валяется по разным углам собрать в одном месте.
И для себя удобно и людям пригодится.

В результате без объяснения причин, грохнули страниц десять с выкладками, расчетами и контрольными цифирками и т.д.

Для себя, однозначно решил, что ФХ, как место хранения справочной инфы - непригоден, ну и забил. А инфы жалко, сейчас вряд ли все вспомню (тогда че-то поперло).

Продолжаю (просьба подождать еще денек, чтоб было одним пакетом, а потом уже ругаться за "колебание основ" и бросаться тапком).

2. Мифы про теплоемкость.
2.1. Массивные дома, остывают медленнее, чем легкие (теплоемкость - функция массы).
Это миф! (ой, чо щаз начнется...)
Но, погодите стрелять в пианиста, дайте доиграть, в смысле дописать.

На самом деле остывание дома, это аналог задачки про дырявый бассейн:
- теплоемкость - это объем бассейна.
- уровень воды - температура.
- размер дырки - величина тепловых сопротивлений ограждений, окон, объем вентиляции. Те "дырки" через которые уходит тепло.

Можно иметь огромный бассейн и опорожнить его за час, через столь же огромную дыру.
Можно иметь стакан и опорожнить его через тот же час, капельками.

Миф обусловлен сложившимися строительными стереотипами, фактическими параметрами большинства существующих домов.
Доказать человеку сложно, у него работает классическое:
- "Я это собственными глазами видел, иди нафиг со своими теориями".

В действительности, человек (в аналогии с бассейнами) видел два бассейна с объемом различающимся раз в 10-20 и практически, одинаковой дыркой.

В этой ситуации, человек совершенно прав, большой бассейн будет вытекать в 10-20 раз медленнее.
Но это означает, что человек просто никогда видел МАЛЕНЬКИЙ бассейн с МАЛЕНЬКОЙ дыркой (такие дома, сегодня только начинают появляться).

Посчитаем график остывания дома.

чуток математики, мелким шрифтом, для любознательных :
Скорость остывания (градусов/сек), зависит от разницы температур того что остывает и средой. Все просто.
Но... - есть засада. Как только, наш дом остыл, эта разница уменьшилась, в результате - уменьшилась и скорость остывания.

Такие ситуации, описываются через дифуры (тут решать не буду), которые уже тыщу лет, как написали и решили, получив функцию по которой идут такие переходные процессы (с постоянно меняющейся дельтой).

Дом остывает по кривой, которая называется экспонентой.
В общем случае, экспонентой называется любая степенная функция от е (2,71...). Про е, очень подмывает подробнее, поэтому стиснув зубы, расскажу байку про пи (я жутко логичный).

Если провести две черты на расстоянии спички, а потом на них высыпать коробок, то получим компьютер, для вычисления числа Пи!
Отношения количества спичек лежащих между линиями, к количеству на линии - будет равно Пи. Чем больше спичек, тем точнее. Это смахивает на мистику (откуда они знают, как нужно падать), но вот такой вот у нас мир.

Вообще, компы можно делать из чего угодно. Из шарового крана, куска фанеры и банки с водой, можно сделать шикарный комп, вычисляющий интеграл любой гладкой функции.

А с помощью ножниц и бумажки, сварганить установку считающих эквипотенциальные поля давлений обтекания плоскостей реактивного самолета.

Но, я отвлекся, я просто хотел сказать, что эта самая "е", еще круче чем Пи и вылезает в самых неожиданных местах и областях.

В нашем случае, уравнение остывания, это довольно извращенный вариант экспоненты, поэтому чуток деталей.

Наш вариант: у(t)=а-(a-b)*е^(-t/tau)
По нему же, разряжается конденсатор, с Uнач, до Uкон: U(t)=Uнач-(Uнач-Uкон)*e^(-t/tau)
По нему же остывает чайник и наш дом: T(t)=Тнач-(Тнач-Ткон)*е^(-t/tau)
Так же меняется ток через индуктивность, разгоняется реактивный движок и многое другое (как с "е" связался, пиши пропало).

За что отвечают константы этой функции (выделеные цветом):
а - это уровень, от которого кривая начинает опускаться. Это старт (начальная температура).

a-b - это дельта. Температур, напряжений и т.д. b - финиш (температура улицы).
Финиш - недостижимый. Дом будет остывать вечность, всегда будет оставаться какая-то миллиардная доля градуса.
Это асимптота (к этому уровню кривая стремится, никогда не достигая).

tau (тау) - самая интересная штука. Обзывают постоянной времени.

У этой функции, очень любопытное свойство. Как бы не менялись а и b (старт и стоп) - время переходного процесса одно и тоже. Звучит дико, но... короче, опять - вот такой у нас мир.

Что от +100500С до -273С, что от +11С, до +10С. Оба варианта остынут на 50% дельты, на 90% дельты и т.д.... - строго за одно время, придут нос к носу.

А вот время, за которое придут - как раз и определяется этой тау.

Значения функции, для контрольных значений аргумента (t, времени). Для простоты, будем считать в процентах. а=100% b=0%
t=0. у=а. (температура старта)
t=1 (Адын) тау. у=100-(100-0)*e^-1=100-100/2.71=63%
t=3*тау. 100-100*2.71^-3=95%
t=5*tau. 100-100*2,71^-5=99%
В инженерных расчетах, в теории автоматического управления, принято как-то ограничивать время бесконечного переходного процесса. Концом процесса, считают 3, либо 5 тау.

Пример. Постоянная времени - 10 секунд. Это означает, что через:
- 10 секунд, процесс пройдет 63%
- 30 секунд - 95%
- 50 секунд - 99%
а дальше - не интересно.

Осталось две проблемы.
- выяснить, чем определяется тау, для случая остывания дома
- с прискорбием осознать, что у нас тот самый долбанный школьный бассейн с ДВУМЯ трубами :(
У нас дом умеет не только остывать, в ем - есть печка!
Он, зараза, умеет еще и нагреваться. И получается, что температура упала, остывание замедлилось, но тут подвалила энергия от печки, подняла температуру, остывание ускорилось и кто, кого переборет... - решается уже другим дифуром.

Решать не будем, а сразу стырим результат и ответим на вопросы.
Тау для нашего дома, это отношение ТеплоемкостиДома (Дж/К) к УдельнымПотерям (Вт/К) .

Поиграем с размерностями: (Дж/К)/(Вт/К) = (Дж*К)/(Вт*К) = Дж/Вт = Дж/(Дж/с)=с. Как и следовало ожидать - тау, это секунды.

Уравнение нагрева и (или) остывания:
Т(t)=Тдома+Рпечки/Уд.потери+(Тдома-Тулицы-Рпечки/Уд.потери)*е^(-t/(Теплоемкость/Уд.потери))
Думаю, все понятно, остается одно пояснение. Вот эта фиолетовая гадость в формуле, как раз и решает, чего больше, втекает или вытекает (моделирует вторую трубу, т.е. печку).

А если мощность печки равна нулю (выключили), то фиолетовое исчезает и формула приобретает первоначальный вид, вид для остывания дома.

Графические иллюстрации остываний, нагревов разных домов - уже завтра.

 

Еще пара комментариев по поводу тау (постоянной времени) на пальцах.
От чего зависит на пальцах
Хотим затянуть время вытекания из бочки - надо добавить запасу. Литров, джоулей в доме, микрофарад в кондере. Что б было чему вытекать и чтоб побольше.
Или (и) - законопатить дырку через которую вытекает. Сечение трубы в бассейне, потоку энергии через стенки в хате, сопротивление через которое разряжается емкость.
Соотв. тау в формуле остывания - дробь. Запас - сверху, дырка (расход этого запаса) - внизу.

А еще, только глянув на тау, нам уже все ясно, без обсчета разных там экспонент.
Например, теплоемкость дома у нас 110 МДж/К (это куча кирпича весом 125 тонн). А удельные теплопотери 100Вт/К, то тау = 110 000 000 / 100=110 0000 секунд. Или 300 часов. Ну и сразу оценки навскидку.
через 300 часов - хата остынет на 63% дельты. Если дом был +20С, улица -20С (дельта 40К), то через:
- 300 часов (одна тау) будет 20-40*0,63=-5,2С
- 900 часов (три тау), будет 20-40*0,95=-18С
- 1500 часов (пять тау), будет 20-40*0,99=-19,6С

Теперь порисуем картинки. На ФХ есть готовая табличка, считающая экспоненту нагрева/остывания с ней и поиграем:

Комментарии. Как видим, не утепленный каменный, ТЕОРЕТИЧЕСКИ МОЖЕТ ПРОИГРАТЬ сверхутепленному каркасу.
Понятно, что тут "опустим нашу продукцию в дистиллированную воду, а продукцию конкурента в серную кислоту, почувствуйте разницу!" Т.е. мы подсунули дом, с почти не реально малыми потерями.

По теплоемкости. 110 МДж/К у каменного, это примерно 125 тонн кирпича в хате. 20 МДж/К каркасника - это под 10 тонн аналога деревяшек. Вес каркаса перемычек, гипсокартона, пола, потолка, шмоток, мебели... Для дома 100 м2, будет близко.
А вот со сверхутепленным - сложности. Для понимания, что такое потери 20 Вт/К:
- это дом размерами 5*5*2,5, 2 м2- окна, полметра минваты вкруговую, рекуператор вентиляции.

Такой дом, при выделении в нем 500Вт, в условиях Вологды дополнительного обогрева не требует. Но, нафиг он такой нужен.

И еще засада. У такого домика, ввиду его размеров, теплоемкость падает примерно до 10МДж/К и кривая идет точно по кривой "Теплый каркас" по понятным причинам. Мы уронили вдвое потери (с 40 до 20), в уронили в основном за счет размеров, результате упала теплоемкость (негде ей в таких объемах разместиться).

В результате - корректировка заключения по Мифу 1. Было:
Массивные дома, остывают медленнее, чем легкие (теплоемкость - функция массы).
Это миф!
Надо:
Это не верное утверждение в теоретическом плане, но верное в практическом.
По причине нецелесообразности проектирования легких домов, инерционность (тау) которых выше, чем у тяжелых.

 

Сравнение современных каменных и теплого каркаса.
(под теплым каркасом, подразумевается сопротивления ограждений от 10)

Начнем с холодного кирпича.
Смотрим на предыдущую картинку, сравнивая кирпич и теплый каркас:
- за сутки, каменный остыл до 14,7, этот до 13,7. (для аварийных ситуаций - вполне приемлемы оба).
- за пять суток (дача наездами по выходным) каменный остыл до -0,3С, каркасный до -3,1С
Результаты, довольно близки

Чтоб не заморозить, прикидываем подогрев, но уже на 6 суток (уехали в воскресенье в обед, приехали в субботу днем), нужно греть с мощностью и ценой (пусть по 5 руб/кВт*ч):
- каменный 1 кВт, 720 руб.
- теплый каркас 380 Вт, 216 руб
Собственно, опять приемлемые результаты, у обоих, но каркасник почти вчетверо лучше по деньгам.

А теперь, попробуем замкнуть цикл эксплуатации и нагреть на выходные после недельного остывания. С холодным кирпичем и каркасом не связываемся, рассматриваем нормальные дома.

Дома 9*12*2,5, 10 м2 окон, 30 м2 вентиляции (60 с рекуператором 50%)
- кирпич утепленный 100 мм минваты. Удельные потери 133,4 Вт/К, теплоемкость 110 МДж/К
- каркас. утепленный полуметром минваты, потери 55,92 Вт/К, теплоемкость 20 МДж/К

Вначале охлаждаем, потом начинаем форсированный нагрев 15 кВт (типовая мощность для договоров с эл.сетями).
Нагрев начинаем с температуры конца охлаждения. Охлаждаем с предотвращением замерзания.

Кирпич вообще не нужно топить между наездами раз в неделю, зато прогрев до +18 - более 2 суток.
Каркас - греется за 7 часов.
Вывод - наездами, только каркасник (собственно и так все знают).

 

2.2. Миф про то, что теплоинерция позволяет экономить на отоплении.
Тут просто. Тупо подставим в модель дома равных размеров, теплопотерь, но с разной теплоемкостью.

Теплый каркас. На годовое отопление 11 151


Добавили в каркас теплоемкости (свалили внутри дома 125 тонн кирпича). 10 800 руб/год.
Экономия 351 руб/год.

На деле, инерция требует адекватной печки (иначе будешь неделями прогреваться).
Ставим печку 15 кВт и... - никакой экономии нет. 11258 руб/год.

Экономичность тепловой инерции - это миф.

 

2.3. Миф про то, что без тепловой инерции каменных довов нельзя стабилизировать стабилизируют температуру в доме, нельзя получить температурный комфорт.

Тут, не все однозначно и просто, история мифа - длинная.
Простейший очаг, топка по черному (древние избы, сегодня - чум). В чуме, пока костер горит - африка, погасло - дубарь сразу (опыт).
В избе (по черному), тепло немного держится.
А изба с русской печкой (добавили инерционность) - уже огромный шаг вперед, полдня тепло держится и между топками, вода в ведре не застывает.
Но, разумеется, между топками температура градусов на 10 гуляет легко. Ни о какой стабилизации речь еще не идет. В тридцатник, за ночь выстывает с +26, до +16 - легко.

Появились многоквартирники с печками. Те же залповые источники, но в саму печку, уже не нужно было вкладывать такую массу, ее хватало в стенах.
Наверное, самый последний в мире опыт такого - был в Воркуте. До начала 70-ых, в кирпичных многоэтажках были угольные печки на кухне. А в двухэтажках (старая часть застройки) - были повсеместно.
Там уже проблема температурной стабильности, практически решена. Теплые стенки соседей, все топят немного в разнобой. Гуляло градусов на 5. Достаточная инерция, несмотря на залповый источник тепла.

Появилось центральное отопление. Там другая проблема. Залпового выброса тепла нет, но многокилометровые трассы, огромная инерция источника тепла, инерция, не успевающая за суточными колебаниями температуры. Но, в сочетании с массой (теплоинерцией) каменного дома, про стабилизацию забыли, вопрос решен, гуляет градуса на 2-3, да и то, когда резкая смена температуры улицы, на ночную, реакции нет.

В начале появления этого центрального отопления (в России, массово пошло с 20-ых годов прошлого века), народ стал кумекать про эти суточные колебания.
Нашлись толковые мужики, которые подняли вопрос о тепловых процессах в ограждении. Ну, на пальцах. Днем - светило солнышко, нагрело стенку снаружи до плюса, внутри стенки - минус, снаружи, минус еще больший. Это тепловое пятно, потихоньку (тая) смещается внутрь стенки.
В стене, вместо линейного падения температуры (для моностенок), появляется довольно сложное распределение, с классическим декрементом затухания, в теории управления, это картинка переходных процессов второго-третьего порядка.

Появилась очевидная мысль, а хорошо бы так подобрать параметры стенки, чтоб эта волна, шла кратно полусуткам, чтоб ночью доходило то, что было нагрето днем, нивелируя тем самым увеличенные ночные теплопотери (еще раз напомню, что центральное отопление, не может отслеживать суточные колебания улицы). Появилась идея, сделать волну стоячей.

Пожалуй самая известная работа по этой задаче была у Мачинского.
В. Д. Мачинский "Теория активной теплоемкости зданий", это 25-ый год.
По тем временам, замечательная работа, первая попытка рассмотреть динамику температурных процессов в стене, попытаться управлять ей. Но рассматривать управление динамической системой без критериев устойчивости - дело бестолковое. Можно посчитать для случаев стационарных, регулярных воздействий (день/ночь), нельзя для реальных (ниже). Во времена Мачинского, в принципе, уже существовал механизм для анализа динамических систем, но систем стационарных (критерий Гурвица), но в его работе, этот инструмент не был использован. Не те времена. А совр. критерии, понимание амплитудно-фазовых частотных характеристик, частотные критерии (Найквиста-Михайлова) - это уже 60-ые годы. У Мачинского - не было шансов, не было инструментов.

Далее, в процессе огромной практики эксплуатации домов с центральным отоплением, не удалось выявить каких либо значимых проявлений этих самых температурных волн в стене.

Ну, а для наглядности, почему попытки спроектировать стену с организованной в ней стоячей температурной волной - являются бессмысленными, покажу еще один инструмент, которого не было у Мачинского (не было попытки использования). Этот инструмент - климатология.

Возьмем, уже основательно замученный нами трехчасовой график. Мне лень подтягивать за два года, беру только вторую часть отопительного, с 1 яваря, по начало мая. По абсциссе - номер дня года.


Любуемся на эту красоту и регулярность дисциплинированной природы. День/ночь - все, как на ладошке. Ну, грех это в конструкции стенок не учитывать, думал Мачинский ведя метеонаблюдения, ажно три недели (ну, в смысле это я так думаю).
Тут график, с 70-го дня, 20 дней. Конец февраля - март, солнышко...

А теперь, глянем, что было в начале года. Январь.

Ой, бардак... Ну и где наши день/ночь!? И какой смысл был резонансы в стенке строить, если частота гуляет как Бог на душу?

А теперь, глянем всю вторую часть отопительного.

А глянем, на предмет оценки, какая доля низких температур (и соотв. потребного отопления) легла на бардачный, а какая на организованный периоды. Думаю, что комментарии не нужны. И Мачинский, благополучно уходит в историю.

Далее, любопытно наблюдать, как из строительных норм, со временем, уходит сама идея использования тепловой инерции.
Если до 96-го года, дома делили на большую, среднюю, малую и нулевую, то сейчас, не делят вообще. Делили, на предмет определения минимальной расчетной температуры данной местности. До 96-го, для разных домов, была разной, сейчас одна - все по холодной пятидневке.
Причин много. Сутки с дефицитом отопления - можно пережить в любом совр. доме (инерции любого многоквартирника хватает), котельные могут на день-другой поднапрячься и почитай в каждой хате нынче электроотопитель на пару кВт. А на кухне газ, а в ванной - горячая вода. Ловить блох на одних сутках - потеряло смысл.

Далее, перемещаемся к более актуальной теме, для частных домов.
Вот, в легком доме на улицу вышел и скачки температуры... жить нельзя... стабилизировать невозможно...
Ребята, я не хочу лезть в сложную математику, просто еще раз выскажу свое мнение с позиций теории управления. Любое управление - связано с ошибкой управления. Чем более инерционный объект, тем бОльшая (по энергии) цена ошибки. Это, как причалить лайнер и байдарку. Обязательно и там, и там в процессе, вначале нужно будет разогнать, потом затормозить. Цены этих разгонов/торможений - прямо пропорциональны инерции.

Что до компенсации плавных уличных изменений температуры. Совр. управляемые источники тепла (электро), гораздо быстрее.
Совр. датчики температуры, давно точнее 0,1К.
Держать температуру в доме - не является сегодня, хоть сколь-нибудь сложной, или дорогой технической проблемой. Держать можно, с точностью в 0,2-0,3К, это на порядок точнее. чем держится в многоэтажках, где на температурных комфорт, никто не жалится.

А что до дверь открыли и сразу все выстудило, я таки посчитаю.
Прихожая, специально возьмем мелкую, 2*2*2,5. Вкруговую для простоты обнесена ГК 12,5.

Открыли уличную дверь, впустили 2 м3 воздуха с температурой -30С. Посчитаем, насколько это остудит воздух и стены прихожей, "выступит ли иней по углам".

Запасы: ГК. Площадь 48 м2, вес 464 кг. Его теплоемкость 0,84*464= 397 кДж/К. Еще 10 кубов воздуха, это 12 кило, с теплоемкостью 12 кДж/К, всего теплоемкость прихожей - 409 кДж/К
Открыли дверь, поменяли два куба теплого, на два куба холодного. Ушло два куба. теплоемкость системы упала на 2,4 кДж/К и стала равной 407 кДж/К.
Для нагрева двух кубов холодного на 50К, нужно 1,2*50=60 кДж.

Этот страшный объем энергии, выделит плойка для волос в 15 Вт аж за 400 секунд. Почти вечность!

Отобрали от системы с теплоемкостью 407 кДж/К 60 кДж, ее температура упала на 60/407=0,14К.
И прихожей, вместо 20С, стало ажно 19,86С.

В результате - все жители этого каркасника, умерли от резкого снижения температуры и последующего переохлаждения.

Есть еще один отказ в современном СП, от ловли блок в теплоинерции для стабилизации температуры, но это уже в следующем мифе, про летние перегревы. Про "рай в каменных и ад в каркасах".

 

2.4. Миф про летний "рай каменных и ад каркасных".
Для начала, глянем, как к этому (к тепловой инерции и вообще к аду), относятся нормативы.
Называется этот параметр - теплоустойчивость. Т.е. способность дома, сохранять постоянную температуру.
СНиП 23-02-2003 п. 7. В холодный период года - все очень просто. Для центрального отопления допустимые суточные колебания 1,5С, для котлов - 2,5С, для печки 3С. Последний случай, самый суровый. Мы его отдельно рассмотрим, хотя в этом мифе, речь про жару.
Документ устарел, сейчас действует:

СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.
В нем, для холодного периода - нет ничего вообще. Отменили.
А для теплого - все взято из старого СНиП.
Читаем. п.6.1.: "В районах со среднемесячной температурой июля 21 °С и выше..." - далее, что делать в этих районах, где выше. Про те, где ниже - тишина. Там, где ниже, тем все пофиг.
Ладно, выясняем, что ж это за места, средняя июля выше +21 (СП 131.13330.2012 Строительная климатология, табл. 5.1): Майкоп, Астрахань (там арбузы), Махачкала и... прочие Сочи. Тут понятно.

Глядим середку России - МосквАм, ПитерАм - этот пункт не светит (про Архангельск с Воркутой, вообще молчу). Лезем на юг. Брянск, Липецк, Орел, Воронеж и прочая африка (по сравнению с Воркутой) - а, нифига. Им тоже не светит п.6.1. И делаем вывод. Для подавляющей площади страны (за исключением крайнего юга), СП не хочет вообще связываться с теплоустойчивостью. Не хочет как-то нормировать параметры зданий, предотвращающие летний ад.
Может потому что садисты? Или про Москву забыли? Разбираемся.

Что такое средняя 21С, когда днем ад в +35С. Это ночью +7С. А если таки не 35, а 30, то ночью 12 (что ближе к реалиям). Но мы не будем мелочится, возьмем среднюю дневную 30, а ночную 17. И день у нас будут выключать. Резко. 12 часов день +30, 12 ночь, +17. Старт, пусть будет с +24С, день.
Задача выяснить, будет ли рост температуры, возможно ли за ночь, сбросить дневной перегрев.
Возьмем два дома. Теплый (в моем понимании) каркасник и утепленный 100 мм кирпичный.


Используем ту же табличку, строяющую экспоненты нагрева и охлаждения. В старт охлаждения ставим температура в конце нагрева и смотрим, что получилось.
Замечу, что в обоих домах, по прежнему выделяется 500 Вт. Т.е. бытовое тепло не выключаем.
Отдельно, стоит пояснить, по удельным потерям ночью 236 Вт/К.
Цифирь - вычислена из условий, сколько нужно, чтоб каркасник успел остыть за ночь, до стартовой температуры.
При этом, видно, что при таком же ночном охлаждении, каменный остыть не успевает. В этих условиях, он будет разогреваться.

Охлаждаем дом, естественно ночным воздухом.

Осталось оценить, что означают эти 236 Вт/К, достижимы ли вообще и можно ли эти теплопотери увеличить еще, чтоб обитали каменного совсем не спарились. Оценить сколько холодного ночного воздуха, нам понадобится.

Еще один тест - это учет инсоляции. Добавим к бытовой энергии, энергию солнышка через окошки и поглядим, что получится.
В следующей мессаге.

 

Посчитаем, что можно выжать с естественного воздухообмена. Два пути, либо поверить цифирям по хрущевкам, где максимальная кратность ествественного = 4, либо посчитать. Сделаем и то, и другое.
Если кратность 4, то для дома 10*10*2,5*4 = 1000 м3/ч
Если считать, то АэроКоэф1*ПлощадьОкон*(АэроКоэф2*СкоростьВетра^2-АэроКоэф3*СкоростьПодветренной^2)^0.5
АэроКоэф., соотв.: 0,6, 0,7, 0,2. Скорость подветренной, берется как половину скорости ветра.
Ветер берем никакой, 1 м/сек.

0,6*10*(0,7*1^2-0.2*0.2^2)^0.5=4.9 м3/сек.
Каждый куб - 1,2 кДж/К, в секунду будет 4,9*1,2=5,88 кДж/с=5,88 кВт
А на 4К (разность дом/улица), будет все 16 кВт мощности нашего "кондишена".
Уже тут видно, что мощности на охлаждении, более чем серьезные.

 

Продолжаю. В предыдущей мессаге ошибки, правим:
0,6*10*(0,7*1^2-0,2*0,2^2)^0,5=4,9 м3/с - это фигня, потому что взята площадь всех окон (ветер дует сразу везде). Правильно - площадь окон одной стены. Пусть у нас окна равномерно, тогда в формуле не 10 м2, а 2,5 м2
0,6*2,5*(0,7*1^2-0,2*0,2^2)^0,5=1,24 м3/с

Из двух цифр проветривания открытыми окнами - возьмем меньшую. Из 4-ех кратного часового обмена. Хотя, она для многоэтажек, с учетом того, что там не всегда можно устроить сквозняк, например все окна квартиры на одной стороне.

Принимаем 1000 м3/ч, или 0,270 м3/с
На кельвин, этот объем даст поток в 0,27*1,2=0,324кВт=324Вт/К

Итак, наша мощность тепловых потерь в следствии проветритвания, может возрасти до 324Вт/К
Каркаснику на остывание, хватит 236 Вт/К, а при располагаемой 324 Вт/К, он остынет до стартовой =22С за 6 часов, 20 мин.
Кирпичному на остывание - нужно 370 Вт/К. Располагаемая 324 Вт/К. Через 12 часов, его температура будет превышать уровень старта на 0,05К.

Разумеется, на практике все гораздо хуже. У нас кроме уличной температуры, днем включается печка, под названием солнце, подающая тепло через окна и греется южная стена.

Пусть на квадрат вертикали, средняя дневная инсоляция у нас будет в 300 Вт, а южных окон, будет аж половина, 5 м2. Тогда имеем дневную печку в 1,5 кВт.
А еще, учтем нагрев южной стены до +50С (темная стенка). Что является аналогом повышения температуры улицы на (50-30)/(ПлощадьВсехОгражденийДома-ПлощадьЮжнойСтены/ПлощадьЮжнойСтены)
(50-30)/(300-25/25)=1,9К Возьмем два Кельвина и будем считать, что все внешние стенки у нас будут нагреты до 32С.


Видим, что в этих условиях, т.е. 5 м2 незакрытых окон на юг:
- каркас, еще держится. Прогревается за день до 2,62, но успевает остыть за ночь, при открытых окон. Гуляние температуры +22С - +26С.
Каменный теряет устойчивость и начинает разогреваться, каждые сутки прибавляя по четверть градуса, но суточные колебания всего полградуса. Через 20 суток жары, температура в каменном достигнет 27 градусов, начнется ад.
Каменный в этом случае - плохой дом (неустойчив), каркасник - хороший (устойчив).

И, наконец, экстремальный вариант. Все окна (10 м2) на юг, занавесок никаких, инсоляция 3 кВт.


В этой ситуации (мир, в котором еще не придумали занавески)
- каркасник. Разогревается со скоростью 2 градуса в день. На третий день жары - для жизни не пригоден, будет более +28С.
- каменный. Разогревается со скорость 0,6 градуса в день. Непригодным становится на 11-ый день.

В целом. При условии управления инсоляцией через окна (практически полное отключения ставнями, но прокатят обычные занавески):
Хорошо утепленный каркас, показывает лучшую (чем каменный) температурную устойчивость в жару, для районов вплоть до широты Курска, Воронежа.
Южнее этой широты, каменные позволяют "дольше протянуть", в таких домах, жарко станет примерно на неделю позже каркасника.
При этом, после спадения жары, каменный дом останется перегретым, примерно пятеро суток. В отличии от каркасника, который остынет за сутки.

Еще раз подчеркну важные вывод, по утепленному каркаснику.
- ему не страшен перегрев наружних стен. +50С на южной стене при +30С воздуха, дает дополнительный приток тепла, аналогичный подъему уличной, всего на 2К.
- сильно влияет тепло непосредственно в окна. Но этот поток, легко управляется (ставнями, занавесками).

Ну и общий вывод.
Непревзойденная теплоустойчивость каменных домов в жару - миф, для примерно 90% территории России.
Хорошо (до R12) утепленные каркасники, ведут себя лучше каменных домов.

 

По мифам связанным с теплоемкостью ограждений - вроде все.
3. Прочие мифы.
3.1. Миф про теплые дырки в утеплителе, зазоры между стеклами и "супертеплые" финские окна.
Речь собственно о высказывании, что замкнутые полости в утеплителях (щели в том же залитом пеноизоле, либо между неплотно уложенной минватой, при небольших размерах являются утеплителем.


Зависимость сопротивления теплопередаче стеклопакета от толщины воздушной прослойки (отсюда).
Это экспериментальные данные. Интерпретация простая:
- мы потратились на 5 мм рамы (разнесли стекла от 5 до 10мм), получили рост на 0,06.
- еще на 5 (до 15 мм) - рост 0,01
- еще на 10 - роста нет.
- еще на 20 - получили падение теплового сопротивление, при росте затрат на раму. Получили убытки вложив деньги.

Почему так. Внешнее стекло холодное, охлаждает воздух, воздух движется вниз. Возле внутреннего теплого - вверх. Образуется циклон, переносящий тепло на улицу, конвективная теплопередача.

Когда расстояние между стеклами мало, срабатывает два явления, блокирующие конвекцию:
- выравниваются температуры стекол внутри полости
- встречно движущие слои образуют слой турбулентности, замедляющий движение.

При разнесение стекол, конвективная доля переноса растет настолько, что тепловое сопротивление падает до двух кусков стекла. Разнести пару стекол на два метра, или склеить их - сопротивление = паре стекол. Без учета воздуха.

В зависимости, от разности температур (дом/улице), от геометрии (высота, ширина) - оптимальные размеры между стеклами 10-20 мм.

Финские (речь о деревянных) окна с бОльшим разнесением, имеют меньшее тепловое сопротивление. Они - хуже в плане теплозащиты.

Вот еще любопытная картинка, относящаяся к окнам.

Данные экспериментальных измерений теплопотерь в ночное время через стеклопакет, установленный под углом 30 0 к горизонту (в окне - небо). Климатические условия – Центральная Европа. a ) чистое небо, б) облачное небо. Разница теплоптерь - вдвое, при одной уличной температуре.

Такие замеры - одновременно способ вычисления "температуры неба".
Речь о феномене, когда осенней ночью, при плюсовой температуре - на траве изморозь. Выпадает, только при звездном небе.
Причина - радиационный перенос тепла (см. уравнение Стефана-Больцмана). Два тела обмениваются энергией пропорционально разнице четвертых степеней температур.
По величине потерь, можно вычислить температуру второго тела (для окошек смотрящих в небо, второе тело - небо).
Расчетная температура неба: -60С. Если смотреть на слои атмосферы, то это температура в тропосфере.

Из этого, любопытные практические выводы. С учетом, что:
- радиационный, это до 70% всей теплопередачи через окна,
- зима, -5С улицы, звездное небо - получаем радиационный обмен между наземными объектами с температурой -5С и звездным небом с температурой -60С

Напрашивается "уберите ночное небо из окошка"
Т.е. простые, холодные ставни должны серьезно работать, снижая потери окошка примерно на четверть (вполовину, для окон под 30 градусов, где в окне только небо).

Еще один практический вывод. Если в утеплителе, есть замкнутая полость малых размеров, она может являться утеплителем, но в одном случае. Если малые размеры - вдоль температурного градиента. Например:
- плита пенопласта/зазор в 10 мм/плита пенопласта - зазор будет утеплителем.
- сквозная щель 10 мм в стене между торцами плит - не будет утеплителем. Будет дырка в стене. В щели во всю, будет конвективный перенос обусловленный разностью температур между концами зазора.