КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КАК ЦИВИЛИЗАЦИОННЫЙ ФАКТОР
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КАК ЦИВИЛИЗАЦИОННЫЙ ФАКТОР
Незавидный удел - бедность. Но и привалившее вдруг богатство нередко оказывается непосильным испытанием. Не похожа ли Россия на прожигателя неожиданно полученного наследства от почившего за океаном дядюшки? Наследство это - тюменские углеводороды и американская наука «как бурить землю» - почти превратилось в предмет национальной гордости, как личная добродетель каждого россиянина. И вот уже незадачливые предки удостаиваются снисходительного сочувствия удачливых потомков, а копеечные бюджеты царей и наркомов, отстроивших страну, вызывают лишь усмешку. Как же, у нас проблемы другие - не знаем, куда пристроить Стабфонд. Не имея десятой доли нравственной силы и готовности к труду, присущей пращурам, позволять себе такое - наглость или глупость. А скорее и то и другое.
Ритуальные фразы о том, что надо же подумать и о внуках, не мешают развороту работ по взлому очередных подземных кладовых. Не более убедительны новейшие прожекты насчет термоядерного синтеза с завозом трития с Луны. Нет смысла лить воду в бочку, если та - дырявая. Глупо по новейшим технологиям добавлять очередной киловатт электрогенерирующих мощностей, если он будет обслуживать еще один электрокамин в плохо построенном доме.
Но не досада на самонадеянных соотечественников побудила заняться теплопроводностью. Вдруг открылось в публицистической мысли, что мы с нашим климатом безнадежны. На мировом рынке делать нечего, а народу явный, раз в пять, избыток. По-видимому исключительно по невежеству наши предки заселили шестую часть суши и умудрялись в разных природных условиях вести хозяйство и попутно успешно решать демографические задачи. Да и другие народы что-то гнало прочь из приветливой зоны субтропиков в горы, леса и пустыни. Жизни вообще свойственно использовать малейшую нишу и лазейку. Очень часто свобода, воплощенная в незанятых пространствах, важнее температурного комфорта. Кто может ответить, кому лучше живется: песцу в тундре или газели в тысячеголовых стадах Африки? Кто счастливее: сибирский охотник или житель Калькутты? Россия в целом была рентабельна и сотню, и тысячу лет назад. Как же она вдруг оказалась банкротом, когда появились дополнительные ресурсы и технологические возможности? А не следует ли это понимать как намек, что кое-кто нашим ресурсам нашел бы лучшее применение? А может быть, это нам следовало бы более по-хозяйски использовать новые технологии и материалы? И как это могло бы сказаться на исторических перспективах России? А, может быть, и сам климат с его перепадами температур является в каком-то отношении нашим конкурентным преимуществом на мировых рынках? Несложно купить билет до благодатной Мальорки. Но скоро выяснится, что на месте ни копейки заработать не удастся и, следовательно, попросту выжить там не получится. А, значит, можно считать, что этого места в мире для нас как бы и вовсе не существует.
Ни в малой степени не претендуя на новизну и оригинальность в обсуждении темы, вполне отдавая отчет в неизбежно дилетантском уровне анализа, все же рискну, в силу важности вопроса, обратить внимание читателя на ряд обстоятельств вполне физического характера, оказывающих важное влияние на человеческую деятельность в наших географических широтах и долготах.
Признаться, вначале воображение рисовало химеру вроде двух огромных баков с теплоизолирующими стенками, в одном из которых аккумулируется тепло летом, в другом - холод зимой. По законам термодинамики, чем больше перепад температур, тем эффективнее тепловая машина. Однако погружение в тему переключило внимание на более практические задачи: зачем нужна теплоизоляция бетонных зданий? можно ли зимний лед хранить до конца лета? реально ли в нашем климате построить безопасный дом? можно ли от солнечного коллектора запасти горячую воду на холодный сезон?
Прежде всего, понадобятся несколько чисел. В Интернете несложно найти значения коэффициента теплопроводности для различных материалов. Нам достаточно значений k для бетона k=1,5, дерева k=0,15 и пенополиуретана (ППУ) k=0,03. Эти величины говорят нам о количестве тепла, уходящем через 1 м2 стены толщиной 1 м при перепаде температур в 10С. Например, при разности температур в квартире и на улице в 500С через полуметровую бетонную стену уходит 150 Вт тепла. Для обычной квартиры в панельном доме с площадью стены, выходящей на улицу в 30 м2, потери составят около 5 кВт. Электрокаминам определенно не справиться. Становится понятным присутствие радиатора батареи отопления под подоконником. Такая же стена, но уже из дерева удерживает тепло вдесятеро лучше. По-видимому, не следует относиться к увлечению вице-премьера Дмитрия Медведева строительством деревянных коттеджей как к ретроградству и поиску легких путей вместо строительства цементных заводов. При современном технологическом потенциале решение старых болячек вроде пожароопасности и поражения древесины вредителями вполне реально. Скорее уж речь следует вести о принципиальных недостатках зданий из железобетона.
Помимо неудовлетворительных теплоизоляционных свойств строительного бетона существует еще одна фатальная проблема: разрушение в результате циклического замораживания-размораживания. Это обстоятельство мало волнует американских строителей из-за их климатических условий. В России же век бетонных сооружений жестко отмерен морозостойкостью соответствующей марки бетона. Марка 300 означает 300 циклов замораживания, которые способен вынести данный материал без потери прочности. Причем это не 300 зим. Любое изменение температура на улице сопровождается смещением глубины, на которой в толще стены температура равна 00С. Замораживание-оттаивание в толще стены происходит во много раз чаще, чем на поверхности. Когда начнут отваливаться куски бетона - дело времени. Конечный же результат вполне очевиден - груда щебня.
В амбициозные времена социализма казалось, что панельки неизбежно будут заменены чем-то более совершенным. Так что особенно и жалеть нечего. Ныне же подобная размашистость не по карману.
Вся беда в том, что прекрасный строительный материал - бетон - заставили работать не по специальности. Ему бы выдерживать тяжести, а его заставляют улавливать тепло. По новым строительным правилам нужны стены толщиной более 4 метров для достижения нужного уровня теплоизоляции. Решение напрашивается само собой. Каждый должен заниматься своим делом: железобетон обеспечивает прочность здания, а тепло удерживает хороший теплоизолятор, например ППУ. Чтобы в самые лютые холода поверхность бетонной конструкции не промерзала, нужно, чтобы теплосопротивление слоя изоляции было раза в два больше, чем у бетонной стены. Для полуметра бетона это всего лишь 2 см ППУ. Заодно при этом для разобранного выше примера теплопотери уменьшатся до 1,7кВт. Поздравляю! Этот дом сможет простоять сотни лет, и при этом мы порядочно экономим на отоплении.
Сделаем еще один шаг. А, может быть, можно совсем без отопления? Скромную семью из трех человек постоянно обслуживают электроприборы со средней мощностью электропотребления не ниже 500 Вт. Холодильник, телевизор, освещение, компьютер и т.д. Плюс к этому тепло от кухонной плиты. Плюс тепло, выделяемое людьми. Так что 1 кВт тепла в квартире выделяется без всяких батарей. Нужен всего-навсего слой ППУ толщиной 4-5 см, чтобы выжить в бетонной коробке при
- 300С за бортом даже с отключенным отоплением. Панелька и в северных условиях перестает быть смертельно опасной ловушкой в случае крупного катаклизма!
О цене вопроса. По прайс-листам выходит, что за 1 м2 покрытия придется выложить 400-500 рублей. Думаю, что и 1000 р не жалко, если теплозащита прослужит не меньше 10 лет.
Рискну объявить, что возможность сэкономить на типичной квартире несколько кВт энергозатрат, устранение роковой зависимости жизней людей от коррозии труб, подводящих горячую воду, сохранение жилого фонда для нашей страны имеют фундаментальное значение. Современная теплоизоляция жилищ для нас представляет собой цивилизационный фактор, определяющий возможность освоения территории страны.
Теперь о хорошем. По новому СНИПу, закону, регламентирующему работу проектировщиков жилья, теплоизоляции должна быть даже более эффективной, чем по нашим прикидкам. Государство всерьез задумалось о подготовке к послеуглеводородной эре. Браво! Жаль только, что даже в нашем приполярном городке нефтяников не более одного - двух зданий можно заподозрить в достойной способности противостоять холодам. В прошлом году отключение отопления пришлось на ЕДИНСТВЕННЫЙ за зиму день оттепели после 50-градусных морозов. Далеко не все так удачливы.
Для теплоизоляции 20 млн. квартир в многоэтажных домах понадобится сумма порядка 20 млрд. долл. - менее трети нынешнего Стабилизационного фонда. Можно ли представить более эффективный способ стабилизировать ситуацию в стране?
Жара редко становится подлинным бедствием в нашей стране. Большая часть населения привыкла обходиться без кондиционеров. Но зачем же мириться с неудобствами!? Отрицательные зимние температуры можно превратить в наше конкурентное преимущество. Для получения холода нужны высокие технологии. Без электричества не обойтись. С удорожанием энергии все больше людей в жарких странах вынуждены будут отказываться от кондиционирования воздуха, требующего многих сотен кВтч. В результате снижение производительности труда, ущерб здоровью.
Для рассматривавшейся выше квартиры в летнее время желательно нейтрализовывать примерно 2 кВт поступающего извне и выделяющегося в квартире тепла (внутренние источники 1 кВт, как и прежде, плюс 1кВт с улицы) в течение примерно 50 дней по 10 часов. Всего порядка 1000 кВт/час. Этого тепла достаточно, чтобы расплавить примерно 10 т льда. Вот примерно такое количество почти дармового минерала нужно на одну квартиру. Когда-то наши предки, имея в качестве теплоизолятора лишь опилки и солому, успешно применяли ледники для хранения продуктов. Приведу лишь одну оценку. Для куба льда со стороной 3м понадобится слой ППУ теплоизоляции 6-8 см, чтобы за сто дней расплавилось не более четверти начальной массы. Не надо ждать, пока американцы отработают технологию уплотнения и доведения до кондиций убираемого зимой с улиц снега. Для них эта тема мало актуальна. Конечно, что угодно можно сделать тяп-ляп. Но уж с источниками холода в России не должно быть затруднений. Интересная инженерная задача с огромным выбором путей решения. Бизнесмены, ау-у!
В предыдущих примерах решение поставленных задач облегчалось дополнительными обстоятельствами. В случае многоквартирного дома это относительно небольшая площадь контакта квартиры с улицей, а для ледника благоприятным фактором были высокая теплота плавления льда и небольшой перепад температур между камерой со льдом и окружающим грунтом. Более жесткий вызов представляют задачи создания односемейного дома с низкими энергопотерями и накопление горячей воды летом с использованием в холодный период. Оценим необходимую теплоизоляцию, чтобы получить представление о реальности этих задач.
Дом примем размерами 100 м2 в плане с высотой стен 7 м. Т.е. поверхность стен и крыши приблизительно 380 м2. Из которых примерно 50 м2 приходится на окна.
По современным требованиям считается достаточным, чтобы окна обеспечивали теплосопротивление выше 0,55м2 х0С/Вт. Т.е., при перепаде температур в 1 градус через 1 м2 остекления утекает несколько меньше 2 Вт. В ближайшие годы предполагается уменьшение этой величины в два раза за счет новых технологий. При разности температур в квартире и на улице в 30 градусов для нашего примера потери через окна получаются в 3000 Вт. За 150 холодных дней только этот канал потерь будет стоить 11 000 кВт/час. Это около трех тонн сухих дров при 100%-ном использовании полученного при сгорании тепла. Многовато. Оценим, какой толщины должна быть теплоизоляция, чтобы потери через стены составили такую же величину. Для остающейся поверхности 330 м2 потребуется покрытие из ППУ толщиной примерно 10 см. С учетом неизбежных потерь в год для отопления понадобится тонн 10 дров (примерно 20 м3). Реальна задача уменьшения этой величины в два раза за счет улучшения теплоизоляции окон и стен. Все же энергетическая безопасность таких жилищ, понимаемая как независимость от централизованного газоснабжения, кажется реальной только в лесной зоне.
В отличие от возможности применения ледников, использование солнечных коллекторов никак нельзя отнести к нашим конкурентным преимуществам. Чем дальше от экватора, тем сложнее собрать драгоценные киловатт-часы солнечной радиации. Все же для полноты картины оценим возможность пользоваться нагретой летом водой в течение зимнего периода. С помощью коллектора площадью 1 м2 за летний период вполне реально получить примерно тонну воды температурой 700С. Какой должна бать теплоизоляция, чтобы за 200 дней температура воды снизилась бы не более чем на 100С? Скорость остывания физического тела сильно зависит от его размеров. Примем емкость для воды в виде куба с ребром 4 м (объем получится 64 м3). Соответственно на южном скате крыши придется установить коллекторы площадью 64 м2. В течение двухсот дней можно использовать примерно по триста литров горячей воды - достаточно. А какой быть теплоизоляции? Теплопотери не должны превышать 150 Вт, а это возможно при толщине пенополиуретана, лучшего теплоизолятора, в 1,4 м. Для емкости в 1000 т положение немного благоприятнее - 60 см. В общем, придется искать другие решения.
Число - лучший аргумент. Даже эти простейшие выкладки изрядно усовершенствовали мои представления в области строительства в нашей стране. Теперь мне известно, чего можно ожидать в наших городах и селах в качестве свидетельства реалистичной энергетической политики. Прежде всего, у домов должна появиться облицовка, скрывающая слой высокоэффективного теплоизолятора. Вполне вероятно присутствие старомодных ставень на окнах - уменьшение потерь тепла через окна по-прежнему является проблемой. Ледники имеют шанс превратиться в популярный элемент хозяйственных построек в сельской местности, позволяющий рационально решать вопросы кондиционирования воздуха жилых помещений летом и поддерживать оптимальную температуру в местах хранения продуктовых запасов. Эффект масштаба позволяет уменьшить энергопотери, приходящиеся на одного человека. В холодном климате предпочтительнее многоквартирные дома и большие производственные здания. А вот солнечные коллекторы, скорее всего, так и останутся у нас экзотикой.
В наших широтах человек в одиночку живет плохо и недолго. Жизнь приучила наш народ к необходимости планировать свою деятельность, по крайней мере, на год вперед и к взаимопомощи. Без этих черт национальной психологии выживание было бы невозможно. Для более плотно заселенных стран актуальна ежеминутная конкуренция за место под солнцем. А типичный повод сотрудничества - противостояние другой группе людей или народу. Стоит ли нам одевать чужие одежки, малопригодные в нашем климате?
Природа нашей страны, как и ее культура, обладают колоссальной избыточностью в роли источника развития личности. Человеку свойственно мало ценить легкодоступные вещи. Можно тосковать по субтропикам, а можно получать удовольствие от катания на лыжах, вполне сравнимое, например, с виндсерфингом.
И. ТЮМЕНСКИЙ
В содержание номера
К списку номеров
Источник: http://www.duel.ru/200708/?08_4_1