Скорость остывания дома без отопления

Зима. Мороз. Аварийно отключено водяное отопление. Сколько времени есть на ремонт и восстановление работоспособности системы отопления без слива до размораживания? За какое время воздух в помещении остынет до критической температуры, при которой возникнет.

. опасность замерзания воды в трубах?

Критическим значением температуры внутреннего воздуха помещений принято считать +8°C. Предполагается, что при этом в подвалах, технических помещениях, на лестничных клетках температура может оказаться уже отрицательной, и последствия могут быть катастрофическими.

На скорость остывания дома влияют множество факторов: температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, уровень и продолжительность инсоляции, наличие или отсутствие иных внутренних источников тепла (включая людей и животных), инфильтрация, вентиляция.

В расчете, представленном далее, будет учитываться только температура наружного воздуха. Этот факт не добавляет точности, делая расчет, по сути, оценочным, зато существенно его упрощает.

Следует заметить, что наука предлагает более высокоточные алгоритмы расчета скорости остывания дома (например: docplayer.ru/44638823-K-teorii-matematicheskogo-modelirovaniya-teplovogo-rezhima-zdaniy.html). Однако вся их точность нивелируется сложностью корректного определения фактических значений многочисленных исходных данных. А так как исходных параметров много, то неточности их значений в результате вычислений накапливаются в одной большой погрешности конечного результата.

Теория.

По классическому закону Ньютона-Рихмана время нагрева (охлаждения) тела в среде с постоянной температурой определяется по формуле:

z=(LN (ABS (t_н-t₁)) -LN (ABS (t_н-t₂)))·c·ρ·V/(α·F), с (1)

• t_н — температура среды, °C
• t₁ — начальная температура тела, °C
• t₂ — температура тела по истечении времени z, °C
• c — удельная теплоемкость тела, Дж/(кг·К)
• ρ — плотность тела, кг/м3
• V — объем тела, м3
• α — коэффициент теплоотдачи на границе поверхность тела — среда, Вт/(м2·К)
• F — площадь поверхности тела, м2

Выделим правую часть формулы и обозначим β:

β=c·ρ·V/(α·F), с (2)

β имеет размерность времени — секунда:

В строительной теплотехнике величину β принято называть коэффициентом аккумуляции тепла здания и считать не в секундах, а в часах.

Наиболее надежным, достаточно точным и простым способом определения коэффициента аккумуляции здания β является практический замер температуры воздуха в помещении (как правило, в угловом) при отключенном отоплении и достаточно стабильной наружной температуре при пасмурной безветренной погоде без осадков.

Если температура воздуха в точке замера снизится с t₁ до t₂ за z часов, то согласно тем же формулам (1) и (2):

β=z/LN ((t₁-t_н)/(t₂-t_н)), час (3)

Для некоторых типов зданий значения β приведены в таблице:

* МДС 41-6.2000, Таблица 2, автор таблицы: к.т.н. Брайнина Е.Ю.

** Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление, Москва, Стройиздат, 1991, стр. 81

Зная коэффициент аккумуляции β, можно достаточно легко смоделировать процесс остывания, вычислив время и среднюю скорость остывания дома:

z=β·LN ((t₁-t_н)/(t₂-t_н)), час (4)

Расчет в Excel скорости и времени остывания помещения.

На скриншотах далее представлен пример выполнения расчета, реализованного в Excel, с интерактивным отображением графика остывания помещения.

Задав исходные данные, вписав их в ячейки со светло-зеленой и светло-бирюзовой заливкой, пользователь получает автоматически вычисленные время z и скорость остывания v в ячейках листа Excel со светло-желтой заливкой фона.

Меняя шаг времени (в примере задан шаг 2 часа), можно визуально оценить темп остывания в разные по длине периоды времени.

В примере на скриншотах воздух в некоем помещении с коэффициентом аккумуляции β=20 часов остывает с t₁=20°C до t₂=8°C при температуре наружного воздуха t_н=-10°C. Расчет в Excel показывает, что этот процесс по времени займет z=10,2 часа.

Средний темп падения температуры или скорость остывания в течение этого промежутка времени составит v=1,2°C/час. Самая большая скорость остывания будет в первый час после отключения отопления: v_max=1,4°C/час.

Беглого взгляда на график достаточно, чтобы понять, что отрицательной температура воздуха в помещении станет через 22 часа.

Программу можно использовать для расчета коэффициента аккумуляции β или температуры воздуха в помещении t₂ по известному времени остывания z при помощи сервиса Excel «Подбор параметра».

Заключение.

Скорость остывания дома при отключении отопления зависит в первую очередь при отсутствии инфильтрации от коэффициента аккумуляции здания и от разницы между внутренней и внешней температурой воздуха.

Наибольшей способностью аккумулировать (запасать и сохранять) тепло обладают тяжелые массивные кирпичные старые здания с чугунными радиаторами и большим объемом воды в системе отопления. У таких домов коэффициент аккумуляции β достигает порой 120 часов.

С увеличением в здании количества и размеров окон, с уменьшением толщины стен в связи с широким использованием легких утеплителей, с распространением конвекторов, обуславливающих относительно небольшой объем теплоносителя в системе современные легкие дома плохо аккумулируют тепло. У таких зданий β может быть 40-20 часов и даже меньше.

Для одного и того же здания коэффициент аккумуляции угловых помещений верхних этажей меньше чем у срединных помещений средних этажей в 1,5-2 раза.

Прошу уважающих труд автора скачивать файл с программой расчетов после подписки на анонсы статей!

Как быстро прогревается и остывает каркасный дом. Мой опыт.

Уже четвертый отопительный сезон я живу в каркасном доме. Дом находится на территории одного из дачных кооперативов на окраине Калуги. Из всех городских благ здесь лишь электричество, да и то по ценам СНТ, то есть на полрубля за киловатт дороже, чем в городе. Поэтому отапливать свое жилище приходится дровами. И именно вопрос какого это жить в каркасным доме с печным отоплением я и хотел бы раскрыть.

Наверняка вы знаете как устроен каркасный дом, что такое пирог утепления и тому подобное. Отмечу лишь главную особенность: малую теплоёмкость конструкции. Это значит, что ввиду конструкции дома, нагреваются лишь легкие материалы внутренней обшивки, воздух внутри дома и мебель.

Немного про сам дом. Его размер 7х8. Жилой пока только первый этаж. Везде в стенах, полу и между первым этажом и чердаком 15 сантиметров утеплителя. Изначально это была рулонная минвата URSA. Окна самые простые однокамерные, которые ставила фирма-застройщик — известная компания с выставочным центром в Кузьминках. Про них можно написать отдельную статью, но в целом я скорее доволен ими, чем нет.

Первый зимний сезон я встретил с масляным радиатором, точнее двумя. И когда пришли пятнадцатиградусные морозы, и два радиатора, еле справляясь со своей функцией, начали накручивать по 1200 кВт-ч в месяц, оперативно была построена котельная, разведены трубы, и радиаторы начали неплохо прогревать студёный воздух. Электросчётчик успокоился, но мне пришлось бегать в котельную каждые два-три часа: дом остывал с неимоверной скоростью. Прогреваясь до 24 градусов, уже через пару часов после прекращения горения печки температура опускалась до 21 градуса при температуре на улице 0. -5°С.

Тогда я полез искать куда уходит тепло. Было замечено много косяков в утеплении, и это единственная претензия к бригаде строителей. Каркас они сделали неплохой, но вот утеплитель положили чертовски плохо. Благо цоколь высокий и пока не закрыт, удалось поменять несколько пролётов утеплителя в полу; проверил и переложил кое-где утеплитель в потолке. И результат не заставил себя долго ждать: скорость остывания снизилась практически в два раза, до 1 градуса в час при той же температуре на улице .

Поскольку увеличить теплоёмкость дома в данный момент не представляется возможным, я продолжил устранять проблемы в утеплителе. Проверил дом тепловизором.

Очень сильных утечек тепла через стены я не нашёл, но мелкие недочёты встречались по всему дому. И я принял решение как-то поменять весь утеплитель на каменную вату Роквул. Кстати, весной этого года совершенно неожиданно объявилась фирма-застройщик с предложением устранить выявленные при эксплуатации недочеты строительства, и они поменяли мне утеплитель совершенно бесплатно. Я только приобрёл сам утеплитель, поскольку они предлагали не тот, что я хотел. Пока демонтировали наружную обшивку, я увидел насколько плохо была уложена минвата.

Неудивительно, что одна комната была просто ледяной. За работой по укладке каменной ваты я следил непрестанно, и результатом оказался доволен.

Наступил новый отопительный сезон. Каков итог? Во всех комнатах теперь равномерно тепло, и полы не такие холодные, как были. Дом прогревается быстро. Но скорость остывания осталась на уровне 0.5. 1 градус в час.

40 часов без отопления в своём доме: эксперимент прошёл успешно (теперь я не боюсь ледяных дождей)

Постоянные читатели моего канала знают, что отопление моего дома чисто электрическое только ночным тарифом, который у нас в Московской области по 1,68р за кВт*ч (на данный момент), что дороже газа всего в 2 раза. Газа у меня нет и нет возможности подключения.

Ещё на этапе проектирования своего дома я постоянно натыкался на страхи людей, что электричество могут отключать или обязательно должно произойти что-то типа ледяного дождя и тогда дом мой промёрзнет, вся система отопления выйдет из строя и другие страшные последствия.

За пять лет, что я собственник участка и состою в поселковой группе WhatsApp ещё не было ни одного сообщения о том, что зимой отключили свет более, чем на несколько часов. Летом – да, отключают чаще и на большее время, можно и полдня просидеть.

Суть эксперимента

Сетевики делали плановые ремонтные работы:

и отключали нас с 9 до 16 с копейками (по фату)

Ночной тариф у меня с 10:30 до 18:30, так как сбито время на счётчике. Не перенастраиваю, потому что и так нормально, а за перенастройку ещё платить надо, пока не до этого.

Настройки в работе котла:

Можно было запустить отопление на оставшиеся 2,5 часа, но я решил провести эксперимент на сколько остынет мой дом, если не будет отопления пару дней.

Отопление не работало 40 часов, за это время дом остыл на 2С с 24С до 22С. Так что считаю, что ледяной дождь (который как раз бывает при температуре около 0С) с обрывом проводов не так страшен.

За пару дней ничего не произойдёт в обычном доме из газобетона на УШП, а в хорошо утеплённом (не важен материал каменных стен) и подавно.

Необязательно УШП (утеплённая шведская плита), можно водяной тёплый пол в стяжке толщиной не менее 80мм, что прибавит тепловой инерции дому.

За два дня также топя чисто ночным температура в доме вернулась в ном — 23-24С.

Это уже 2й случай как я сижу без отопления. Первый был в декабре того года, на улице было -10С, но я локально грел по ночному кухню – зал в которой жил обогревателем на 2кВт, поэтому только на 2й день заметил что-то неладное (забыл включить автоматы на котле после осмотра).

Выводы

Дом должен иметь тепловую инерцию, если дом будет ещё и хорошо утеплённым, то будет остывать ещё медленней в случае аварии.

Резерв лучше иметь в любом доме, желательно в виде печки, можно каминной топки.

Без электричества не будет работать ни один современный котёл, поэтому нужен генератор. А также не стоит забывать, что холодильник тоже без электричества не работает, а жизнь современного человека уже невозможна без смартфона.

Так что теплоёмкость дома будет полезна при любом типе отопления, пока дом будет остывать можно спокойно починить, что сломано, приехать домой и завести генератор или дождаться, когда дадут свет.

А у вас как быстро остывает дом или на сколько дней у вас выключали электричество? – пишите в комментариях.

Миф про катастрофичное остывание каркасных домов.

То, что скорость нагрева, или охлаждения тела пропорциональна разности температуры между телом и средой — люди заметили давно, закон был получен эмпирически (замером), используется в теплотехнике до сих пор и носит название: «закон Ньютона-Рихмана».

Это для позиции «типа практиков», мол пять эти теоретики все придумали, жизни не знают, а вот мы.
— Не, ребята, не придумали, а замеряли, взяли из практики. В отличии от вас.

Проблема в том, что при остывании дома, меняется разность температур и скорость остывания. Это тоже давно решено, такие процессы описываются диф.уравнениями. Решение дифура — дает закон (функцию) остывания дома по времени.

Такие кривые, называются экспонентой. Можете забить эту формулу в Excel и развлекаться с разными нагревами, остываниями.
А кому лениво, можно взять готовое https://yadi.sk/d/xChlf7rFHRuAGw

Полагаю, очевидным, что при отсутствии «печки» (выделяемой мощности), уравнение приобретает вид:

При этом, опять таки полагаю очевидным, что при наличии людей в доме, выделяемая тепловая мощность остается, порядка 100 Вт на человека.

Для домов с плохим утеплением (слои до 150 мм) — это как «слону — дробина», а вот для слоев 300-500 мм, такая мощность уже существенно влияет на процесс остывания.

Откровенно говоря, на эту статью подвигла публикация » Как мы замерзли в каркаснике «. Человек описал опыт остывания каркаса, при -25С.

В коментариях через одного, что мол «быть не может» в разных формах, но с одинаковой уверенностью. Разумеется с привычными для таких комментаторов обоснованиями: — «я так считаю».

Вот решил оценить параметры этого конкретного дома. Потолки взял в 2.5 метра, площадь окон 10 м2, площадь дома и слои утеплителя взяты из статьи.

Расчетная температура такого дома через сутки +18.3 градуса. Совпадает с практическим опытом.

Несколько слов про экспоненты вообще и экспоненту остывания в частности. Скорость переходного экспоненциального процесса определяется «постоянной времени», тау. Показатель степени -т(время)/тау. А тау равно отношению теплоемкости к удельным потерям.

При этом, если одновременно, снизить теплоемкость в 10 раз и во столько же раз снизить удельные потери, тау и переходной процесс не изменится никак .

Тем кому сложно — «на пальцах»:
— бочка 200 литров и литровая пластиковая бутылка. Емкость в 200 раз. Откуда быстрее вытечет вода?
А нельзя сказать! Не хватает данных, нет описания отверстия через которое вытекает. Выбей у бочки дно, а в бутылке дырочку иголкой.

Это очевидно. А вот почему людям не очевидно, что теплоемкость дома, это только запасы энергии, что теплоемкость никак не описывает потери (с какой скоростью вытекает) — загадка.

Эксплуатация наездами

Коль уж затронули тему, оценим модель — выходные на природе, где у нас будет стоять дом, рабочая неделя в городе, дом не отапливается.

Дом возьмем чуть побольше, 9*12*2,5, 10 м2 окон, 30 м3/ч вентиляции (два человека, т.е. 60, но с рекуператором 50%)
— кирпич утепленный 100 мм минваты. Удельные потери 133,4 Вт/К, теплоемкость 220 МДж/К
— каркас. утепленный полуметром минваты, потери 55,92 Вт/К, теплоемкость 20 МДж/К

5 дней охлаждаем,на выходных начинаем форсированный нагрев 15 кВт (типовая мощность для договоров с эл.сетями). Нагрев, естественно начинаем с температуры конца охлаждения.

Собственно, подтвердили общепринятое, инерционные дома, для эксплутации «наездами» — не пригодны. Поправить дело можно, для этого в каменном доме из нашего примера, нужно поставить обогреватель мощностью около 60 кВт, для «форсированного» нагрева.