Строительная методичка. (Часть 5 Физика утепления)

Нарушить обет безбрачия молчания сподвиг пост нашей уважаемой Tinkle Bell о счетах за отопление.
Всевозможная kоlоs'ня, естественно может спокойно высраться в коментах (буду скрывать коменты не относящиеся к теме)

Хотел подискутировать о физике и энергоэффективности. Очень часто в рунете встречаю какие то пространные рассуждения про теплоизоляцию, которая мерно перетекает в спор двух баранов, каждый из которых трясет каким то утеплителем и убеждает другого барана что его утеплитель самый лучший в мире. Но тут появляется третий баран, продавец ветрозащитной мембраны и срачЪ переходит на новый уровень, пока не появится четвертый (продавец пароизоляции) и в итоге наступает полнейший хаос. 
Это классический случай, сегментарного мышления, которое преобладает в "строительных баталиях". И это без участия кровельных, фасадных материалов и материалов стен. 
Что собственно и было в коментах под постом подруги Питера Пэна.
Когда обыватель погружается  эту пучину изящного словоблудия, круто замешанном на отборном мате, он выпадает в осадок и с горя сдувает пыль с книги Шепелева "Как построить сельский дом".
Господа, книга интересная, но так больше не строят.
Я больше скажу - Так не строят уже как 30-40 лет. Технологии стремительно развиваются в последнее время.
Из этого можно сделать простой вывод - подход к строительству с сегментированными данными ущербный. Вопрос надо рассматривать в комплексе. Но что бы рассматривать в комплексе надо понимать причинно-следственную связь.

Немного истории, дабы в голове сформировалась четкая картинка от того куда и от чего идем. Этап проживания в пещерах опустим, коснемся немного свидетелей секты "якдиды жылы". Дескать раньше жили в срубах по 100 лет и не кашляли. Ощущения и вкусы у всех разные, но физику не обманешь - Два умножить на два равно четыре. Ну хер с ним пять, но имейте совесть.. (с)
Теплотехнические характеристики древесины или камня за последние миллион лет не изменились. Теплоотдача дров при сгорании тоже не поменялась. Проблема в строительных технологиях. Они стали намного сложнее, не потому что есть "заговор ЗОГ строителей", а потому что требования к зданиям и комфорту повысились, появилась туева хуча новых материалов. 
В эротических фантазиях мамкиного строителя рисуется сруб из векового кедра (блин, через "ять" да его раньше и рубить нет смысла, даже сосну), с резными наличниками и русской печью. Где в любое время года тепло, сухо и мухи не кусают. В реальности все не так радужно) Что бы обеспечить необходимое сопротивление теплопередачи, бревно должно быть диаметром (для Урала) не менее 50-60 см по вершине, по комлю соответственно еще больше. Такое бревно в лесу найти не так просто и стоит он туеву хучу денег. Рубить сруб на участке тоже не получится без крановой техники. По этому дома строили небольшие из более скромного диаметра. По этому надо было много и жарко топить. Такие дома подмокали, но в силу большого количества щелей, успевали просохнуть. В силу небольшого строительного объема это было реально.
Простой пример из жизни - жил  в рубленном доме (у нас вся деревня в таких жила) 6х6 метров. Посередине стояла русская печь с группкой, которая отжирала от площади дома примерно 15%. Т.е. для жития было две небольшие комнатки и кухня "жопа к жопе" где могли пообедать только два человека толкаясь локтями. У меня сейчас одна кухня больше чем половина дома. И загнать человека в такой дом вряд ли получиться. Потому что утром уже зубы стучали от холода и за то что вылезешь из под одеяла надо было орден давать за храбрость. 
Даже с точки зрения площади жилья, сейчас вряд ли кто по доброй воле согласиться жить в "хрущевке", хотя она по сравнению с моим домом из детства эталон комфортного проживания. Даже хотя бы потому что не надо ходить гадить на улицу в туалет системы "очко" и можно принять душ каждый день, а не раз в неделю в бане, куда еще воду надо натаскать ведрами.
В общем, оставим лирику и влажные фантазии фантазерам и вернемся к нашей суровой реальности. 
Народ хочет жить в большом доме с комфортным климатом внутри и всеми благами цивилизации, а не подтирать задницу газетой на тридцатиградусном морозе.
Главный тезис - вся энергоэффективность зданий построена на Втором начале термодинамики. 
Его понимание это ключ к успеху и процветанию) Определение  Википердии приводит в шок и трепет своей энтропией и прочим бла-бла-бла, которое тяжело ранит мозг обывателя. Что бы не приседать на умняк это можно изложить с точки зрения строителя очень просто - Тепло движется к холоду, мокрое к сухому.
Точка. Это альфа и омега энергоэффективности любого здания.
По простому - зимой, тепло из дома будет стремиться погреть улицу, а холод с улицы будет стараться заместить тепло, которое пошло погулять. Потому что природа не терпит пустоты как лагеря и тюрьмы. 
Летом все в точности до наоборот - жара с улицы будет стараться пробиться внутрь дома, а приятная прохлада вырваться наружу. 

Ввиду того что ограждающие конструкции нужны для того что бы защищать микроклимат внутри дома от этих переменьжовок, современное строительство стремиться создавать максимально герметичные здания.
Если кто то с этим не согласен - может жить на улице. Говорят одежда "Columbia" хороша, можно не хило сэкономить на комуналке.

Ремарка - Про воздухообмен чуть позже.

Теперь о сути процесса. Когда происходит теплообмен между теплым и холодным, происходит движение воздуха, а движение воздуха это переток влаги, которая растворена в воздушной массе. Ее кажется немного, но она имеет свойство конденсироваться в самых неприятных местах и при определенных обстоятельствах (я делал пост про условиях образования плесени) служит средой для размножения внеземной жизни плесени и прочих грибков. И самое главное - влажность материала значительно снижает его теплотехнические характеристики. Например минеральная вата, набрав влажность до 4-7% от сего объема практически полностью теряет свои теплозащитные свойства.
Для того что бы избавиться от этого мы должны обеспечить высыхание материала, но что бы повысить энергоэффективность стараются дом делать герметичным? Нет ли тут взаимоисключающих параграфов?
Конечно есть. Вот эту задачу и решают проектировщики и прочие теплотехники при проектировании зданий. 
Абсолютно герметичную стену сделать невозможно, т.е. какое то количество тепла с влагой будет все равно проходить сквозь ограждающую конструкцию. Так что делать? Логичный вывод - надо делать так что бы стена могла просохнуть в теплый период. По этому в холодном и континентальном климате сверху прибивают ветро-влагозащитную мембрану и дают возможность влаге испариться, ну например за счет вентилируемого фасада. В жарком климате ситуация обратная - дома прохладно, а на улице жара. По этому защита от влаги делается внутри. Пиндосы например в несколько слоев красят дом внутри латексной краской.
Далее... 
Как утеплять дом? На какую толщину? 
Дилетант уверен что слой утеплителя должен быть равномерным и тут он ошибается. Все мы знаем со школы, что теплый воздух поднимается вверх, а исходя из второго начала термодинамики тепло двигается в сторону холода. Т.е. основные теплопотери будут через крышу. Так как утеплять?
Для этого есть правило утепления дома. Его используют в большей степени в странах "наших партнеров".
Вот тут внимание - Давайте не будем закатывать истерику что "пиндосы тупые" что "цтатистика врёт" и прочую низкосортную политоту с заговорами моссоноф. Ученые в массе своей абсолютно аполитичные люди и в силу генетического дефекта стремятся к идеалу и рациональности. 

Правило утепления идеального дома такое.

5 – 10 – 20 – 40 – 60 @ 1.5

Давайте разбираться что это за хрень.

Это коэффициенты R-value, аналог нашего сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций.
Сначала опишу что это цыфири, а потом поясню как считать, ибо у пиндосов все не как у людей)))

R-5 - это окна (ну вот лучше ни кто не сделал окошки, по этому пользуемся тем что есть) Даже самые офигенские стеклопакеты не дотягивают до сопротивления теплопередаче 1 м2×°С/Вт

R-10 - сопротивление теплопередаче фундамента

R-20 - сопротивление теплопередаче цоколя

R-40 - сопротивление теплопередаче стены

R-60 - сопротивление теплопередаче кровли (крыши)

@ 1.5 - герметичность здания при разнице давления в 50 Па

Сразу пояснение - Почему цыфири разные? - Потому что теплопотери везде разные. Через крышу теплопотери в разы больше чем через цоколь и фундамент.

Ну пошли по порядку, разбираться что это за кабаллистика.

Что есть вообще R - (какая то цифра) - это как уже сказал сопротивление теплопередаче. Открыв библию строителя СП 50.13330.2012 "Тепловая защита зданий" видим некоторое несоответствие базовых значений к этим R-20/30. 
Суть в том, что пиндосы считают по другому. У нас отличаются формулы расчета. 

R-value считают как произведение разницы температур на теплой и холодной поверхности, на площадь и на время замера и все это деленное на то, сколько тепла было потерянно.
В системе СИ формула проще - ТЫК (формулу не знаю как вставить)
Что бы получить число R-value, надо наше сопротивление теплопередаче умножить на 5,68.
В качестве примера.
Мы видим что рекомендуемое значение утепления цоколя необходимо R-20. 
Утеплять будем "Пеноплексом" в силу его физических характеристик. 
Наше сопротивление теплопередаче рассчитывается по формуле - толщина утеплителя/коэффициент теплопроводности. 
Берем пиндосовский R-20, делим его на 5,68 = 20\5,68 = 3,52 (м2·°С)/Вт

Что бы определить требуемую толщину надо R умножить на коэффициента теплопроводности λ . Для пеноплекса он равен 0,036 Вт/(м·град) 
3,52 х 0,03 = 0,102 метра, сиречь 100 мм (берем близкое стандартное)
У нас в массе своей лепят 50 мм, что в принципе проходит по нижней границе. 
Некоторые еще умудряются клеить пеноплекс на "ляпухи" чем умножают на ноль все его теплотехнические характеристики. Лучше бы картон прибили - был бы такой же результат.

Теперь посмотрим на крышу, утепленную базальтом.
Делаем тоже самое 

R-60 / 5,68 = 10,56 (м2·°С)/Вт
Вычисляем толщину
10,56 х 0,042 (коэффициент теплопроводности базальтового утеплителя - усреднено) = 0,44 метра, сиречь 440 мм.

Я уже сквозь пространство и время слышу крики негодования - Да ты охренел? Чего так много?))))

А давайте просто сравним наш норматив и американский? И заодно проверим нашу "городскую легенду" что на стену 150 мм утеплителя а на крышу 250 мм. 
Сравнивать Самару и Майами естественно моветон, по этому я выберу более менее сопоставимое. 
Например Северную Дакоту и Урал. 

Климат Северной Дакоты континентальный, как и на среднем Урале. Рядом нет побережья морей и окиянов, которые являются причиной повышенной относительной влажности, т.е. относительная влажность сопоставима. Глубина промерзания грунта так же одинаковая - 1,8 метра. В наличии гористая местность. Если похмельный чувак с Урала попадет в Северную Дакоту то не сразу сообразит где он.
Разве что пробегающий бизон создаст когнетивный диссонанс))) - Хренасе, небритая корова!!!

И так смотрим чего там с Дакотой.
В большей степени это 7-ая зона. 
Посмотрим стену и крышу дабы не усложнять задачу.
И так стена R-25, крыша R-49 это по нижней планке.

25 / 5,68 х 0,042 = 0,18 метра, сиречь 180 мм т.е. примерно рядом с нашими легендарными 150 мм на стену.

Важное замечание - общее сопротивление теплопередаче складывается из всех сопротивлений "пирога стены". Я для упрощения взял сферическую (невидимую) стену в вакууме, т.е. ей пренебрег. В реальности, стеновой материал (кирпич, брус, какой то блок) так же даст в общей цифре свое сопротивление теплопередаче. Не хочу вдаваться в детали, но предположим что кирпичная кладка даст сопротивление аналогичное 30 мм утеплителя, то в сухом остатке и выйдем на те же характеристики.

Теперь сравним с нашим нормативом и насколько он соответствует "городской легенде" про 150 мм на стену.
Открываем СП "Тепловая защита зданий", таблица №3 Базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче.
Сопротивления теплопередаче привязаны к градусо-стукам отопительного сезона (ГСОП). На Урале он равен 5980, соответственно округляем до 6 000 и видим что сопротивление теплопередаче 3,5 (м2·°С)/Вт.
Считаем ту же самую сферическую стену в вакууме. Надо это сопротивление умножить на коэффициента теплопроводности базальтового утеплителя, в среднем 0,042 

3,5 х 0,042 = 0,147 м, сиречь 147 мм, округляем до 150 мм.
Вывод очевиден - Для Урала "городская легенда" подтвердилась, для американских требований не дотягивает. 

А теперь важный момент, который мамкины строители упускают - крыша. 

Повторяем процедуру расчета.
1. Для Дакоты. Смотрим на утепленное чердачное перекрытие R-49

49 / 5,68 х 0,042 = 0,362 м, сиречь 360 мм утеплителя. 
В случае утепления крыши R-60
60 / 5,68 х 0,042 = 0,443 м, сиречь 440 мм что соответствует "финской городской легенде", а наша легенда про 250 мм нервно закуривает, даже относительно утепления чердачного перекрытия.

2. Смотрим наш норматив в СП

Сопротивление теплопередаче для 6000 ГСОП должно быть не меньше 5,2
5,2 х 0,042 = 0.21 м, сиречь 210 мм что соответствует "городской легенде"  России по нашим норматиам, но почти в два раза ни же чем у пиндосов и финнов.
Могу конечно канадские коды поднять, но там скорее всего разницы не будет, либо она будет на уровне погрешности.

Так же очень важную роль играют климатические условия.
Например пиндосы тупо поделили страну на климатические зоны и каждой зоне присвоили "вилку" необходимого сопротивления теплопередачи. Если внимательно посмотрите ссылку на необходимую величину R-value, то заметите, что одна и та же зона делится еще и на "морскую", т.к. повышенная влажность побережья негативно влияет на энергоэффективность.
У нас примерно тоже самое, но привязано к градусо-суткам отопительного сезона (ГСОП).

Подробно посмотреть можно ТУТ. на официальном сайте DOE.

Т.е. житель Колефорнии, определяет свою климатическую зону и видит необходимые требования по утеплению, ни чего не сочиняя и не выдумывая..
Для тупых это пишут даже на упаковке.

Кстати, для пассивных домов требования по утеплению еще жестче. 

R-5 окна (теплее их не делают)
R-20 - фундамент
R-40 - цоколь
R-60 - стены
R-80 - крыша

Но я лично считаю это уже перебором на грани идиотизма.

Из всех предыдущих камланий можно сделать промежуточный вывод - наш норматив на утепление идет практически по нижней кромке относительно стран "наших партнеров". Если при проектировании утепления нашего дома принять наш норматив + 20-30% будет только лучше. По крыше - для холодного чердака не грех добавить и 40%, а если утепляете саму крышу, то и все 80-100% от норматива.

К чему этот поток сознания? Все элементарно. Энергоносители в мире дорожают и дешеветь они будут только во влажных фантазиях адептов "зеленой" энтропии. Ввиду того, что дом строиться не на ближайшие 5 лет, то повышение цен на энергоносители это вопрос времени.
Сегодня в РФ ценник на хаз для потребителя устанавливается правительством, а завтра? А на сколько поднимут? А они обязательно поднимут, потому что чудес не бывает. Сегодня ты молодой и резвый, а через 10 лет сможешь платить более высокий ценник за отопление и электричество? 
Я считаю эти вопросы надо задавать себе перед началом строительства и это только по поводу утепления.
Из этих вопросов уже вылазят более детальные..
А замкнут ли твой тепловой контур по всей внешней поверхности дома?

А если сорвет ветром фасад и утеплитель намокнет, то он просохнет?
Мостики холода? 
И т.д. и т.п.

Да, кстати, про @1,5 как то упустил.

Это коэффициент герметичности здания. Еще называют кратностью воздухообмена при разнице давлений  50 Па.

В коментах давали ссылки на ролики "Стройхлама", так вот он этим и занимается при экспертизе домов.
Схема простая. Втыкают на место двери аэродверь с вентилятором, затыкают вентиляцию и создают разницу давления между внутренними помещениями и улицей. Сие колдунство показывает насколько дом дырявый, а так же как работает система вентиляции и не только. 
Нормальная кратность воздухообмена - 2. Ниже - лучше. Выше - дом дырявый и надо искать дырки через которые сифонит. Щели это не только потеря тепла, это еще и проблема, которая может вылиться в переувлажнение утеплителя, т.е. снижение его теплотехнических характеристик. Хочу напомнить - если тот же базальтовый утеплитель впитает в себя воды на 4-7% от своего объема, то его теплотехнические характеристики будут чуть выше нуля, т.е. толку от него не больше чем от листа фанэры.
Это еще и потенциальный рассадник грибка или плесени. Особенно это критично в области крыши. Свидетель секты "мавзолеестроения" может отмахнуться - Да и пусть плесень кирпичом подавиться, но стропильные системы везде деревянные и основные потери тепла именно там.

Если подходить к вопросу основательно, то продувать дом аэродверью надо на этапе "под черновую отделку". Потому что тепловой контур готов, инженерка сделана. И если экспертиза выявит косяки, то их проще устранить на этом этапе. 

Для справки, по кратности воздухообмена
Обычно - 5 ach@50 - дом-решето
Есть большие дыры - 3 ach@50
Есть небольшие утечки , но терпимо - 2 - 1,5 ach@50
Perfecto -1,0 ach@50
Для современного дома кратность воздухообмена должна быть примерно 1,5-1 ach@50

Вот так широкими мазками работает второе начало термодинамики в строительстве. 

Отсюда выводы. 
Дом условно можно разделить на две структуры, которые могут дополнять друг друга.
1 - это силовой каркас, который принимает на себя все физические нагрузки - собственный вес, ветровые, снеговые и т.д. 
2 - это "тепловой контур" который обеспечивает герметичность и теплосбережение.
В "ваших интернетах" ходит легенда про тепловую инерцию. Дескать если построить дом из кирпича, толщиной в три локтя, то его достаточно один день протопить, а потом неделю жить как в Крыму не подкидывая дров - это бредятина. 
Тепловая инерция естественно присутствует и ее можно даже посчитать, но при дырявом тепловом контуре толку от нее не будет. 

Резюмирую:
Строительство это в первую очередь наука, а потом практика, которая вносит корректировки в науку.
Нормативы в "заграницах" жестче чем у нас. Я лично связываю это с тем что они все таки понимают, что век халявной энергетики пройден. 
На первом этапе начала строительства надо понять какие процессы будут происходить в доме с течением времени и во времена смены времен года.
Так же надо понимать и делать задел на будущее, что будет через 5, 10, 30 лет с домом?
Пока молодой все легко и можно баблеца заработать даже физическим трудом, с возрастом это делать все сложнее. 
Уделить максимум внимания эксплуатации дома и его ремонтопригодности, при этом в самое неудобное время года.

Еще небольшое дополнение.
В каком то посте про "каркасники" кто то из пересказывателей интернетной бредятины заявил что дескать в каркасниках надо утеплитель менять каждые 25 лет.
Это заявление верное и не верное одновременно.
Поясню.
Утеплителей много разных. Они все отличаются по своим характеристикам, в том числе и по сроку эксплуатации. 
Например у минерального утеплителя срок эксплуатации 30-50 лет при условии соблюдения технологии.
У базальтового выше - по сути больше 100 лет, но пишут 80 лет. Опять же при условии соблюдения технологии. 
Если оба этих утеплителя подмочит, то они начнут сминаться, т.е. их "пушистость" станет меньше и как следствие снизятся теплотехнические свойства. По этому качественные производители упоминают что "утеплитель хорошо держит геометрию".
Но они и дороже.
Т.е. возвращаясь к заявлению. Если дом был утеплен минеральным утеплителем и его через 30 лет заменили, это ни как не относится к материалу стены и технологии строительства. Вот ни как вообще. У утеплителя просто закончился срок эксплуатации. А прибит он к кирпичной стене или является часть каркасника - это абсолютно фиолетово. 
Монументостроители - возьмите этот факт на заметку. На вашей стене, дешевый минеральный утеплитель, будет вести себя точно так же как и в "пироге" каркасника. Он так же может при намокании осесть под собственным весом, потерять свою "пушистость",  следствии чего потеряет свои теплотехнические свойства.

Как говорил Жванецкий - Щетильнее надо быть. В строительстве очень много деталей, наплевательсто на которые может вылезти большим геморроем через какое то время.

Ну и хотел пару слов про окна. 
Под постом Tinkl Bell были советы заменить окна. 
Посмотрим на таблицу сопротивления теплопередачи различных окон.
Пояснения по формуле стеклопакета ТУТ.

ЧЗНХ? WTF? Внезапно оказывается что все окна и даже с супернаворотами и систоперделками даже не дотягивают до 1 м2×°С/Вт? При том что минимальное значение должно быть не меньше 3,2 м2×°С/Вт.
Да, господа. Это суровая правда жизни. Чем больше остекление - тем больше теплопотери. Ну не бывает "теплых" окон. Разницу между "теплыми" и не "теплыми" сами видите  таблице - она незначительная, а по сравнению со стеной, вообще отстой.
Открою страшную тайну - "теплые окна" НАДО ставить!, но еще больше внимания надо уделять герметичности при установке.
Теплопотери не только идут через окно, но так же неправильный монтаж окон приводит к еще большим теплотерям. Многие видели как это делают - установили окно, запенили щели и замазали шпатлевкой. Хозяин, готово!
А теперь посмотрите как это делают "тупые пиндосы". Не надо обращать внимание на "каркасник", смотрите на как добиваются герметичности.

До 7:40 гидроизоляция - это очень важно не только для домов из древесины. Кстати в на йутубе стали появляться ролики про CLT о котором я делал пару постов. Когда смотришь - из глаз течет крофь. 
Это классический пример нашего подхода. На волне хайпа впаривают лохам доверчивым заказчкикам сурргат. По прошествии нескольких лет, ввиду нарушения технологии и не понимания матчасти, возникают неиллюзорные проблемы и как следствие появляется негатив и недоверие к технологии. 
Абсолютно идентичная ситуация была с "каркасниками", когда нарушая все возможные правила и требования, колотили из гавна и веток домики.
Но я немного отвлекся.
Установка с 7:40 соответственно. Собачья мова, но все понятно.

Отсюда алгоритм решения проблем по теплопотерям - Сначала выявляем места где происходят теплопотери (продуваем аэродерью), а затем только приступаем к устранению.
Через 30 маленьких щелочек неидимых глазом, можно терять столько же тепла как через одну небольшую дырку отверстие.

Извиняюсь за некоторый сумбур в повествовании, но очень сложно описать более подробно и детально.

Спасибо за внимание.