Каркас vs Газобетон или некоторые нюансики теплосбережения
На рынке строительства индивидуальных домов в РФ можно наблюдать две лидирующие технологии - каркасное строительство и дома со стенами из газобетона.
Производители газобетона представлены, в основном, строительными "тяжеловесами" ЛСР (Aeroc, H+H), Кселла (Ytong, URSA), и доля рынка газобетонного строительства растет. Технология выглядит простой и понятной, в сравнениями с многослойными конструкциями каркаса, в которых так легко "накосячить" (это аргумент, хотя для опытного строителя - несущественный).
В пользу газобетона (ГБ), кроме условной простоты, приводятся аргументы - негорючесть, массивность стен, теплоинерционность. Тепловая инерция подается как несомненный плюс для дома постоянного проживания (ПМЖ), упрощающий жизнь при регулировании климата в доме, сглаживающий температурные перепады на улице и дающий время на реакцию в случае отключения теплоснабжения при аварии.
Рассмотрим, так ли это?
Этап 1.
===============
Для проверки возьмем типовые стены ГБ и каркаса и поместим их в реальные условия (Ленинградская область, декабрь 2020г). Данные по теплотехнике стен рассчитаем для наглядности в сервисе SmartCalc, погодные данные - с официальной метеостанции Санкт-Петербурге #26063 (сервис rp5.ru):
Каркас, R=3.17:
Газобетон, R=3.58:
Температуру внутри помещения положим стабильно +22°C.
Согласно СП 131.13330.2012 "Строительная климатология", средняя температура декабря в СПб -3.9°C.
Элементарная калькуляция согласно СП 50.13330.2012 "Тепловая защита зданий" показывает, что
- Средний тепловой поток через каркас составит N(к,сп) = (22+3.9)/3.17 = 8.17 Вт/м², через газобетон N(гб,сп) = (22+3.9)/3.58 = 7.23 Вт/м²;
- теплопотери по СП через 1м² каркаса составят q(к,сп) = 6.08 кВт·ч, через газобетон q(гб,сп) = 5.38 кВт·ч.
Т.е., согласно СП, газобетонная стенка примерно на 11.5% экономичнее каркасной в установившемся режиме температур.
Этап 2.
===============
Приведем наши расчеты из "сферического вакуума" (табличных данных по СП) в реалии декабря 2020 на Северо-Западе, с его оттепелями и постоянными гуляниями через 0. Для этого возьмем данные станции #26063, предоставленные с 3-часовым шагом, интерполируем их на точки временной шкалы с шагом 1 минута, и пересчитаем простыми формулами из СП 50.
Получим средний тепловой поток через каркас N(дек,сп) = 7.18 Вт/м², через газобетон N(дек,сп) = 6.35 Вт/м²;
Процентная разница та же, просто мы привязались к конкретному месяцу с его погодой.
Отметим, что еще ни слова не было про дополнительные плюшки, связанные с массивностью и инерционностью газобетона, которые, по идее, должны лишь упрочить его преимущество перед каркасной стеной. Ну, что ж, приступим....
Этап 3.
===============
Для расчетов добавим к "порезанной" поминутно временной шкале порезанную на слои по 1см стену площадью 1см². Каждый кубик стены станет узлом графа с характеристиками (масса, теплоемкость, тепловой заряд, температура), а тепловые перетоки между кубиками - ребрами графа. Мощность перетоков зависит от теплопроводности среды и разности температур на узлах, которые ребро соединяет. Так как стена в поперечном сечении считается однородной, то будем считать, что тепловые перетоки поперек линии нормали к стене взаимно компенсируются, и перемещение энергии идет вдоль нормали.
Для полноты картины считаем, что усвоение тепла из помещения происходит с удельной мощностью 8.7 Вт/(м²·°C) в обоих случаях, теплопотери стены "на улицу" для каркаса - 16 Вт/(м²·°C), для газобетона - 22 Вт/(м²·°C). Данные эмпирические, но принятые в СП, мы их трогать не будем. Каркас практически всегда зашивается отделкой по вентилируемому фасаду, газобетон без внешнего утепления, как правило, просто штукатурится, отсюда и разница 16 и 22 Вт.
После расчета, аналогичного предыдущим, с учетом тепловой инерции, получается вот какая картина:
Получим средний тепловой поток через каркас N(дек, факт) = 7.47 Вт/м², через газобетон N(дек, факт) = 9.01 Вт/м² !!!!
Теплопотери с 1 м²стены составили для каркаса 5.56 кВт·ч, для газобетона 6.70 кВт·ч!
Таким образом, расчет с тепловой инерцией, произведенный в реальном времени на реальных условиях, показал ухудшение теоретических (СП) показателей для каркаса на 4%, а для газобетона - на целых 41% (!). Невероятно, но что произошло?
Рассмотрим графики температур и тепловых потоков для обеих конструкций:
Каркас:
Газобетон:
В нижней части диаграмм изображен график уличной температуры, в верхней - тепловые потоки:
- голубая линия - теплоотдача с внешней поверхности стены
- красная линия - теплопотери на внутренней поверхности стены (теплоотдача помещения)
- серая с тенью - расчетные теплопотери по СП
- малиновая - нормативные потери стены для средней температуры декабря -3.9°C
Что мы можем увидеть:
1. Сдвиг по времени и более сглаженная красная линий относительно серой - отложенная реакция на изменение уличных температур. Сдвиг у теплоинерционной стены составляет несколько часов. Расчеты показали общее время реакции по стабилизации разового возмущения для массивной стены - 18 часов (выравнивание красного и голубого графика).
2. Температурные возмущения с улицы вызывают значимый "тепловой напор" на слое контакта стены с улицей.
У каркасной стены тут условный "воздух" - утеплитель с низкой плотностью и теплопроводностью - и добавочные теплопотери минимальны.
У газобетонной стены, наоборот, в зоне прямого контакта - массивный "камень" с относительно высокой теплопроводностью (в 2-3 раза выше каркаса), плюс теплосъем 22 Вт/°C против 16 каркасных. В результате, любое температурное возмущение приводит к скачку теплопотерь (см голубую линию), эффект от которого уходит вглубь материала, вовлекая в теплоотдачу все новые и новые слои. Обратные колебания "сбивают" волну, но новое понижение температур снова запускает процесс.
В результате воздействий ненормированные потери у каркаса составляют дополнительно всего 4%, в том время как с газобетонной стеной включается "Тепловой насос" наружу, выкачивающий из стены дополнительные 40% потерь. Вот это уже можно называть неожиданным эффектом.
Выводы
1. Незащищенная массивная стена с теплопроводностью >0.10 является тепловым насосом, снижающим характеристики на 20-40%.
2. Массивная стена в климате с частыми и глубокими температурными перепадами нуждается в дополнительном утеплении снаружи. Это снижает экономический эффект в сравнении газобетон vs каркас.
3. Каркасная стена наиболее устойчива к температурным колебаниям. Неслучайно так популярен каркас в Финляндии и Скандинавии, Канаде и США.
4. Каркасная стена с R=3.17 эффективнее газобетонной с R=3.58. При этом, она занимает на 50% площади меньше, экономя до 10% площади застройки. Для выравнивания характеристик, необходимо увеличивать толщины массивной стены или дополнительно утеплять снаружи (а это удорожание).
P.S. Необходимо, конечно, держать в уме то, что стена - лишь 10-15% в объеме теплопотерь всего дома. Установив, например, "окна в пол" вместо стандартных стеклопакетов, вы также ухудшаете тепловые характеристики, однако приобретаете в удовольствии от проживания. Однако, не стоить пренебрегать "мелочами" при строительстве - на длинной дистанции обслуживания дома накопленные теплопотери там, где их можно было бы избежать, приобретает вес в виде повышенных счетов.
Безусловно, модель нуждается в проверке и уточнении, которые мы обязательно проведем.
Производители газобетона представлены, в основном, строительными "тяжеловесами" ЛСР (Aeroc, H+H), Кселла (Ytong, URSA), и доля рынка газобетонного строительства растет. Технология выглядит простой и понятной, в сравнениями с многослойными конструкциями каркаса, в которых так легко "накосячить" (это аргумент, хотя для опытного строителя - несущественный).
В пользу газобетона (ГБ), кроме условной простоты, приводятся аргументы - негорючесть, массивность стен, теплоинерционность. Тепловая инерция подается как несомненный плюс для дома постоянного проживания (ПМЖ), упрощающий жизнь при регулировании климата в доме, сглаживающий температурные перепады на улице и дающий время на реакцию в случае отключения теплоснабжения при аварии.
Рассмотрим, так ли это?
Этап 1.
===============
Для проверки возьмем типовые стены ГБ и каркаса и поместим их в реальные условия (Ленинградская область, декабрь 2020г). Данные по теплотехнике стен рассчитаем для наглядности в сервисе SmartCalc, погодные данные - с официальной метеостанции Санкт-Петербурге #26063 (сервис rp5.ru):
Каркас, R=3.17:
Газобетон, R=3.58:
Температуру внутри помещения положим стабильно +22°C.
Согласно СП 131.13330.2012 "Строительная климатология", средняя температура декабря в СПб -3.9°C.
Элементарная калькуляция согласно СП 50.13330.2012 "Тепловая защита зданий" показывает, что
- Средний тепловой поток через каркас составит N(к,сп) = (22+3.9)/3.17 = 8.17 Вт/м², через газобетон N(гб,сп) = (22+3.9)/3.58 = 7.23 Вт/м²;
- теплопотери по СП через 1м² каркаса составят q(к,сп) = 6.08 кВт·ч, через газобетон q(гб,сп) = 5.38 кВт·ч.
Т.е., согласно СП, газобетонная стенка примерно на 11.5% экономичнее каркасной в установившемся режиме температур.
Этап 2.
===============
Приведем наши расчеты из "сферического вакуума" (табличных данных по СП) в реалии декабря 2020 на Северо-Западе, с его оттепелями и постоянными гуляниями через 0. Для этого возьмем данные станции #26063, предоставленные с 3-часовым шагом, интерполируем их на точки временной шкалы с шагом 1 минута, и пересчитаем простыми формулами из СП 50.
Получим средний тепловой поток через каркас N(дек,сп) = 7.18 Вт/м², через газобетон N(дек,сп) = 6.35 Вт/м²;
Процентная разница та же, просто мы привязались к конкретному месяцу с его погодой.
Отметим, что еще ни слова не было про дополнительные плюшки, связанные с массивностью и инерционностью газобетона, которые, по идее, должны лишь упрочить его преимущество перед каркасной стеной. Ну, что ж, приступим....
Этап 3.
===============
Для расчетов добавим к "порезанной" поминутно временной шкале порезанную на слои по 1см стену площадью 1см². Каждый кубик стены станет узлом графа с характеристиками (масса, теплоемкость, тепловой заряд, температура), а тепловые перетоки между кубиками - ребрами графа. Мощность перетоков зависит от теплопроводности среды и разности температур на узлах, которые ребро соединяет. Так как стена в поперечном сечении считается однородной, то будем считать, что тепловые перетоки поперек линии нормали к стене взаимно компенсируются, и перемещение энергии идет вдоль нормали.
Для полноты картины считаем, что усвоение тепла из помещения происходит с удельной мощностью 8.7 Вт/(м²·°C) в обоих случаях, теплопотери стены "на улицу" для каркаса - 16 Вт/(м²·°C), для газобетона - 22 Вт/(м²·°C). Данные эмпирические, но принятые в СП, мы их трогать не будем. Каркас практически всегда зашивается отделкой по вентилируемому фасаду, газобетон без внешнего утепления, как правило, просто штукатурится, отсюда и разница 16 и 22 Вт.
После расчета, аналогичного предыдущим, с учетом тепловой инерции, получается вот какая картина:
Получим средний тепловой поток через каркас N(дек, факт) = 7.47 Вт/м², через газобетон N(дек, факт) = 9.01 Вт/м² !!!!
Теплопотери с 1 м²стены составили для каркаса 5.56 кВт·ч, для газобетона 6.70 кВт·ч!
Таким образом, расчет с тепловой инерцией, произведенный в реальном времени на реальных условиях, показал ухудшение теоретических (СП) показателей для каркаса на 4%, а для газобетона - на целых 41% (!). Невероятно, но что произошло?
Рассмотрим графики температур и тепловых потоков для обеих конструкций:
Каркас:
Газобетон:
В нижней части диаграмм изображен график уличной температуры, в верхней - тепловые потоки:
- голубая линия - теплоотдача с внешней поверхности стены
- красная линия - теплопотери на внутренней поверхности стены (теплоотдача помещения)
- серая с тенью - расчетные теплопотери по СП
- малиновая - нормативные потери стены для средней температуры декабря -3.9°C
Что мы можем увидеть:
1. Сдвиг по времени и более сглаженная красная линий относительно серой - отложенная реакция на изменение уличных температур. Сдвиг у теплоинерционной стены составляет несколько часов. Расчеты показали общее время реакции по стабилизации разового возмущения для массивной стены - 18 часов (выравнивание красного и голубого графика).
2. Температурные возмущения с улицы вызывают значимый "тепловой напор" на слое контакта стены с улицей.
У каркасной стены тут условный "воздух" - утеплитель с низкой плотностью и теплопроводностью - и добавочные теплопотери минимальны.
У газобетонной стены, наоборот, в зоне прямого контакта - массивный "камень" с относительно высокой теплопроводностью (в 2-3 раза выше каркаса), плюс теплосъем 22 Вт/°C против 16 каркасных. В результате, любое температурное возмущение приводит к скачку теплопотерь (см голубую линию), эффект от которого уходит вглубь материала, вовлекая в теплоотдачу все новые и новые слои. Обратные колебания "сбивают" волну, но новое понижение температур снова запускает процесс.
В результате воздействий ненормированные потери у каркаса составляют дополнительно всего 4%, в том время как с газобетонной стеной включается "Тепловой насос" наружу, выкачивающий из стены дополнительные 40% потерь. Вот это уже можно называть неожиданным эффектом.
Выводы
1. Незащищенная массивная стена с теплопроводностью >0.10 является тепловым насосом, снижающим характеристики на 20-40%.
2. Массивная стена в климате с частыми и глубокими температурными перепадами нуждается в дополнительном утеплении снаружи. Это снижает экономический эффект в сравнении газобетон vs каркас.
3. Каркасная стена наиболее устойчива к температурным колебаниям. Неслучайно так популярен каркас в Финляндии и Скандинавии, Канаде и США.
4. Каркасная стена с R=3.17 эффективнее газобетонной с R=3.58. При этом, она занимает на 50% площади меньше, экономя до 10% площади застройки. Для выравнивания характеристик, необходимо увеличивать толщины массивной стены или дополнительно утеплять снаружи (а это удорожание).
P.S. Необходимо, конечно, держать в уме то, что стена - лишь 10-15% в объеме теплопотерь всего дома. Установив, например, "окна в пол" вместо стандартных стеклопакетов, вы также ухудшаете тепловые характеристики, однако приобретаете в удовольствии от проживания. Однако, не стоить пренебрегать "мелочами" при строительстве - на длинной дистанции обслуживания дома накопленные теплопотери там, где их можно было бы избежать, приобретает вес в виде повышенных счетов.
Безусловно, модель нуждается в проверке и уточнении, которые мы обязательно проведем.