Основы энергосбережения

Чтобы говорить об энергосбережении, необходимо разобраться о свойствах самих материалов используемых в строительстве.

Пористость.
Подавляющее большинство строительных материалов – пористые тела. Пористость определяет процентное содержание пор в материале к общему объёму материала. Объёмный вес материала (кг/м3) характеризуется весом в килограммах 1 м3 материала в том состоянии, в каком он будет применяться в строительстве.
Объёмный вес зависит от пористости материала. Объёмный вес входит в выражение коэффициента температуропроводности, а также в ряд формул и уравнений для теплотехнических расчётов и расчётов влажностного режима ограждающих конструкций. Кроме того объёмный вес имеет большое значение в строительной теплотехнике как свойство материала, дающее возможность приблизительно оценивать его теплопроводность.
Для строительных материалов объёмный вес изменяется в пределах от 2800 кг/м3 (для гранита) до 90 кг/м3 (для лёгких волокнистых материалов). Для таких материалов как мипора и пенополистирол объёмный вес снижается до 10 кг/м3. У пенополистирола и мипоры пористость достигает 98%. Рассмотрим таблицу некоторых строительных материалов и проанализируем зависимость теплопроводности от объёмного веса самого материала.

Коэффициент теплопроводности материала уменьшается с уменьшением его объёмного веса, а следовательно, и с увеличением его пористости. Состав материала может быть различным. Изменение коэффициента теплопроводности строительных материалов с изменением их объёмного веса происходит вследствие того, что всякий строительный материал состоит из основного вещества – скелета (цемента, глинозёма и т.п.) и воздуха, находящегося в порах материала. Следовательно, коэффициент теплопроводности абсолютно плотного материала (пористость равна нулю) имеет следующие значения:

Коэффициент теплопроводности самого материала равен некоторой средней величине между коэффициентом теплопроводности основного вещества материала и коэффициентом теплопроводности воздуха содержащегося в порах. Чем меньше пор в материале, тем больше и его коэффициент теплопроводности, и наоборот.
Энергосбережение напрямую зависит от коэффициента теплопроводности материала стен. Чем меньше его значение, тем меньше потерь тепла происходит через стены. Материал ТЭПИКОР имеет такие свойства, которые сочетают в себе низкую теплопроводность, прочность, долговечность и низкую стоимость.

Влажность оказывает большое влияние на теплопроводность и теплоёмкость материала. С повышением влажности материала резко повышается и его коэффициент теплопроводности.
Приведём пример изменения теплопроводности кладки из обыкновенного глиняного кирпича:

Повышение коэффициента теплопроводности материала с увеличением его влажности объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности 0,5 (Вт/м °С), т.е. в 20 раз больший, чем  коэффициент теплопроводности воздуха. Кроме того, влага в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности.
Ещё более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промёрзнет, т. к. лёд имеет коэффициент теплопроводности 2, т.е. в 4 раза больший, чем вода, и, следовательно, в 80 раз больший, чем воздух в порах материала. Существует несколько причин повышения влажности в наружных ограждениях, мы ограничимся только их перечислением. Каждая причина, в той или иной мере, всегда присутствует. Строительная влага, грунтовая влага, атмосферная влага, эксплуатационная влага, гигроскопическая влага и конденсация влаги из воздуха.
Стеновые блоки ТЭПИКОР практически не впитывают влагу, т. к. пенополистирол имеет очень низкую объёмную влажность (7-8 % у ТЭПИКОРа против 30 % у ячеистого бетона), что не даёт намокать самому материалу. Влажностный режим ограждения имеет большое техническое значение, поскольку он обуславливает долговечность ограждения. Известно, что морозостойкость материала связана со степенью их влажности: чем больше влажность материала, тем менее он будет морозостойким. 
Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения, так как является благоприятной средой для развития в нём грибков, плесеней и прочих биологических процессов. Развитие этих процессов в частях ограждения, расположенных в непосредственной близости от его внутренней поверхности, делает состояние ограждаемого помещения антисанитарным. 
В ограждающих конструкциях строительный материал никогда не бывает в абсолютно сухом состоянии, а имеет некоторую влажность вследствие процессов сорбции и конденсации водяного пара, происходящих в ограждении. Влажность, которую будет иметь материал в нормальной климатической зоне, называется нормальной влажностью. 
Приведём коэффициенты теплопроводности некоторых строительных материалов при  положительной температуре и нормальной (объёмной) влажности.

По данным НИИ строительной физики и ГОСТ 51263-99

Данные приведены для сравнения и могут отличаться в зависимости от производителя данного материала, объёмного веса, технологии изготовления, состава компонентов и т. д. По данным таблицы мы видим, что материал  ТЭПИКОР для ограждающих конструкций, выгодно отличается низкой теплопроводностью по сравнению с кирпичём и пенобетоном. Учитывая, что ТЭПИКОР очень мало впитывает влагу, то с повышением влажности преимущество перед другими материалами увеличиваются.

Воздухопроницаемость материалов
При разности давлений воздуха с одной и с другой стороны ограждения через ограждение может проникать воздух в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией. Если фильтрация происходит с улицы в помещение, то она называется инфильтрацией, при обратном направлении – эксфильтрацией. Свойство ограждения или материала пропускать воздух называется воздухопроницаемостью.
Гигиенисты рассматривают воздухопроницаемость ограждения как положительное качество, обеспечивающее естественную вентиляцию помещения. С теплотехнической стороны, воздухопроницаемость ограждений скорее отрицательное качество, так как в зимнее время инфильтрация вызывает дополнительные потери тепла ограждениями и охлаждение помещений, а эксфильтрация может неблагоприятно отразиться на влажностном режиме наружных ограждений, способствуя конденсации в них влаги. Разность давлений воздуха может возникнуть или под влиянием разности температур воздуха в здании и наружного воздуха, или под влиянием ветра.
Воздухопроницаемость строительных материалов объясняется их пористостью. Характер воздухопроницаемости материалов выявляется по кривым расхода воздуха, получаемых экспериментально продувкой воздуха через образцы материала. На рисунке приведены характерные кривые расхода воздуха получаемые для строительных материалов

Кривая 1 соответствует материалам, имеющим равномерную структуру с порами одинаковых размеров (ячеистый бетон). Кривая 2 соответствует материалам с порами различных размеров (в которых имеются разного рода засыпки). Кривая 3 соответствует маловоздухопроницаемым материалам (дерево, цементный раствор). Кривая 4 относится к влажным материалам.
На воздухопроницаемость материалов большое влияние оказывает влажность. С повышением влажности материала понижается его воздухонепроницаемость, кроме того прохождение воздуха через влажный материал начинается только при некоторой разности давлений воздуха Dpmin, увеличивающейся с повышением влажности материала.
Приведём воздухопроницаемость некоторых строительных материалов.

Кривая воздухопроницаемости материала ТЭПИКОР находится между кривыми 2 и 3. Т.к. в материале присутствуют поры созданные гранулами пенополистирола и воздушные поры с разными размерами, то в материале присутствует турбулентность потока воздуха, что говорит о не прямолинейном расходе воздуха. Это значит, что чем больше разность давлений, тем меньше расход воздуха, а значит и теплее в помещении в холодное время года.
Воздухопроницаемость ограждений не всегда соответствует воздухопроницаемости их материалов. Так например, кирпичная кладка при толщине её 1,5 до 2,5 кирпича имеет воздухопроницаемость W= 0,55 кг/м2·ч·мм вод. ст.,  в то  время  как воздухопроницаемость кирпича при толщине его слоя 0,5 м будет равной W= 0,00098 кг/м2·ч·мм вод. ст., т.е. в 560 раз меньше воздухопроницаемости кладки. Это объясняется тем, что в кирпичной кладке имеется большое количество щелей, образуемых при неполном заполнении швов раствором. Поэтому, при кладке блоков ТЭПИКОР, швы необходимо делать не более 5 мм. Геометрические размеры и ровная поверхность блоков позволяют выполнять такую кладку. Минимальная воздухопроницаемость будет происходить за счёт самого материала ТЭПИКОР.

Цифры, цифры и ещё раз цифры...

Приведём один из простых расчётов термического сопротивления ограждения,  применяемых в строительной теплотехнике. Цифры скажут сами за себя.
Термическое сопротивление ограждения R зависит исключительно от теплопроводности материалов, а также от структуры самого ограждения. Для определения R необходимо знать коэффициент теплопроводности  Kt материалов, составляющих ограждение, их расположение,   а так же размеры отдельных элементов ограждения. Для простоты мы возьмём формулу расчёта термического сопротивления для одного слоя:
R = L/Kt, где R- термическое сопротивление, L - толщина слоя, Kt - коэффициент теплопроводности материала.
Формула показывает, что термическое сопротивление слоя ограждения прямо пропорционально его толщине и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности.
Сравним термическое сопротивление различных материалов.
Для материала ТЭПИКОР:
Толщина стены L= 0,4 м, коэффициент теплопроводности для плотности D500 Kt = 0,125,
получим R=L/Kt=0,4/0,125=3,2 град м2 ч/ккал.

Для материала ячеистый бетон:

Толщина стены L= 0,4 м, коэффициент теплопроводности для плотности D600 Kt = 0,14,
получим R=L/Kt=0,4/0,14=2,8 град м2 ч/ккал.

Для материала кирпич глиняный:

Толщина стены L= 0,4 м, коэффициент теплопроводности для плотности D1900 Kt = 0,4,
получим R=L/Kt=0,4/0,4=1 град м2 ч/ккал.

Цементно-песчаный раствор

Толщина раствора L= 0,4 м, коэффициент теплопроводности для плотности D1900 Kt = 0,8,
получим R=L/Kt=0,4/0,8=0,5 град м2 ч/ккал.

Сведём данные в таблицу

Из таблицы видно, если взять термическое сопротивление кирпича равным 100 %, то термическое сопротивление ячеистого бетона будет на 280%, а материала ТЭПИКОР 320%.
Далее, для подсчёта температуры на внутренней поверхности проектировщики используют формулу, где в числителе стоит, разность температур внутреннего и наружного воздуха, сумма термических сопротивлений ограждений, а в знаменателе сопротивление теплопередаче стены. Следовательно, чем выше термическое сопротивление ограждения, тем выше температура воздуха в помещении в зимний период. Термическое сопротивление всего ограждения, сделанного из кирпича и ячеистого бетона будет на порядок меньше, учитывая кладку на раствор. Для кирпича практически невозможно сделать её без пустот, а сам раствор имеет термическое сопротивление в два раза меньше, чем кирпич. Для ячеистого бетона из-за неровной поверхности и геометрических размеров невозможно сделать узкими места кладки блоков. А это всё потери тепла, т.е. Ваших денег.
Подсчитайте, какой толщины надо сделать стену, чтобы получить термическое сопротивление как у материала ТЭПИКОР? Мы сделали это за Вас! Посмотрите здесь.

Паропроницаемость.
Паропроницаемость материала - способность пропускать или задерживать водяной пар в результате разности парциального давления водяного пара при одинаковом атмосферном давлении на обеих сторонах слоя стены.
При определённых условиях водяные пары могут конденсироваться на внутренней поверхности и внутри стен. Такие условия создаются в зимнее время. Увеличение содержания влаги в наружных стенах по многим причинам является неблагоприятным фактором. Прежде всего ухудшаются теплотехнические свойства ограждения. Влажные конструкции являются благоприятной средой для появления и роста плесени, грибка и различных микроорганизмов. Повышение влажности ухудшает условия хранения предметов и изделий находящихся в помещении. (например, дерево разбухает, появляются трещины). Влажность в ограждении влияет на срок службы Вашего дома. Морозостойкость строительных материалов уменьшается при увеличении содержания влаги в них.
Конденсация водяных паров на внутренней поверхности и внутри стены происходит при снижении температуры в некотором месте ниже температуры точки росы. Особенно часто конденсация водяных паров происходит в углах помещения, на железобетонных перемычках, колоннах, металлических рамах и т.п. т.е. на поверхности так называемых мостиков холода.

Коэффициент паропроницаемости Kp материала зависит от физических свойств данного материала и отражает его способность проводить диффундирующий через него пар. Мы приведём значения величин коэффициентов паропроницаемости некоторых строительных материалов:

Наименьший коэффициент паропроницаемости имеет рубероид, наибольший - минеральная и стекловата. Оконное стекло и металлы являются паронепроницаемыми. Материал ТЭПИКОР имеет коэффициент паропроницаемости Kp=0,0089 г/м ч мм рт.ст. который показывает, что в период эксплуатации здания (особенно в зимний период) в стенах будет содержаться меньше влаги, чем в  ячеистом бетоне и пенобетоне. Поэтому теплопроводность стены из ТЭПИКОРа будет меньше, чем из ячеистого бетона и пенобетона. Следовательно, ТЭПИКОР снова экономит Ваши средства.
Изучение распределения влажности в наружных стенах в зимнее время показало, что влажность материала оказывается максимальной в середине стены и понижается к внутренней и наружной её поверхности. Кроме того известно, что влажность стен повышается к концу зимы, что также является результатом сорбции и конденсации влаги в толще стены. С повышением температуры наружного воздуха явление конденсации прекращается и влага, конденсировавшаяся в ограждении, будет постепенно испаряться из него.