Эпоха Пара

Я паро-панк
и я люблю паро-панк

ПубликацииПубликации ПрограммыПрограммы ИгрыИгры

Как устроен экодом

на основе книги Юрия Николаевича Лапина
«Автономные экологические дома»

Дом может быть экономичным: он может быть энергоэффективным по сохранению энергии и даже может быть при этом дешёвым в постройке.
Но что ещё интереснее - при этом он может быть и экологичным и более того, Вы увидите, как следование принципам эко-логии эко-номит Ваши деньги.

Предисловие редактора - специально для сайта steamage.ru - читать

Во избежание недоразумений, считаю своим долгом пояснить, что в данном случае я не столько автор, сколько редактор текста данной статьи, основанной на книге «Автономные экологические дома» Юрия Николаевича Лапина.

Это имя известно лишь узкому кругу специалистов, хотя заслуживает быть прославленным перед всем человечеством. Юрий Николаевич Лапин основатель истинно научного подхода к экостроительству. Он первым в мире применил теоретический расчёт для определения возможностей создания домов-«термосов», не потребляющих энергию ни для обогрева в стужу, ни для охлаждения в жару. Его книга «Автономные экологические дома» - всеобъемлющая энциклопедия знаний о строительстве для интересующегося читателя. Единственный быть может её недостаток - большой объём.

Что ж, специально для современного вечно спешащего читателя, мною подготовлена вот эта брошюра, в которой рассказано самое главное, что непременно должен знать строитель собственного дома. Я сделал текст менее научным, не потеряв точность. После строгой проверки Юрий Николаевич внёс всего три мелких правки и одобрил брошюру. К сожалению тогда найти для неё издателя не удалось.

Сегодня я предлагаю этот текст читателям сайта steamage.ru. Хотя речь в брошюре не идёт непосредственно о Эпохе Пара, но вы увидите, что многие важные принципы экономного и качественного строительства появились и использовались уже тогда - а сейчас оказались забыты. Как странно, прогресс будто идёт наоборот?

Иной раз нам кажется, что только современные достижения могут сделать наше жильё совершенным. Почти все слышали об «умном доме» - технологии фирмы Microsoft, продвигаемой её владельцем Биллом Гейтсом. Но в основе этих чудесных компьютеризированных систем - тепловые насосы. А это тот же самый двигатель Стирлинга - ровесник паровой машины. И настраиваемые (или как сейчас сказали бы «программируемые») системы контроля температуры и влажности можно было сделать и в XIX веке, не прибегая к помощи микропроцессоров и даже электричества вообще.

Другое важнейшее для современного дома-«термоса» устройство - рекуператор тепла - ещё проще по своей конструкции. Его смог бы сделать и средневековый кузнец - если бы, конечно, в ту пору люди задумывались об экономии на отоплении. А множество иных технических решений уже применялось тогда - но не только ради экономии, а ради качества. В самом деле, дома тогда ставили не на годы - а на века! И не грех вспомнить сегодня такой удачный опыт предков.

Надеюсь, что данная брошюра послужит как минимум интересным чтением для любителя истории, а кого-то быть может заставит задуматься над загадками развития архитектурных форм и технологий. Ну а как максимум, надеюсь, что этот материал будет полезен тем, кто собирается строить собственный дом - что труд Юрия Николаевича Лапина (и моя скромная лепта) сэкономят ваши деньги, труд и здоровье. И ваши дети и внуки будут жить в здоровых эко-домах.

5 января 2018г
Алексей «Рекс»

В чём же фокус?

Пути потери тепла домом Пути потери тепла

В дом поступает энергия в виде топлива, например газ для отопления и приготовления пищи. Так же энергия расходуется на освещение и работу бытовых приборов - и в конечном счёте она вся рассеивается внутри дома в виде тепла. Продукты, которые мы вносим в дом, так же добавляют энергию.
Так вот тепловыделение от бытовых приборов, людей и животных обычно строительными нормами учитывается как 10вт/м2 - а мощность отопительной системы обычно 60-100вт/м2. Именно так, отопительная система греет всего лишь в несколько раз лучше наших собственных тепловых выделений.

Из этого следует, что если утеплить дом в 8-10 раз лучше
- то он вообще не будет требовать отопления

Как видите, никакого фокуса здесь нет, только строгое соответствие законам физики, которые полезно не забывать.

А как добиться сокращения потерь? Дом теряет тепло, в основном, тремя путями - через вентиляцию, через окна и через непрозрачные ограждения (крыша и стены). Причём вклад каждого из этих источников теплопотерь примерно одинаков, что и отражает приведённая схема.
Ни один из этих путей, даже если перекрыть его полностью, не принесёт необходимой экономии тепла - но если воздействовать на все 3, то можно добиться отличных результатов без существенных затрат, а иногда и сэкономив средства.

Воздухообмен

Интенсивность вентиляции обычно измеряют кратностью воздухообмена - отношением удалённого из помещения воздуха к воздушному объёму помещения. Кратность воздухообмена 1 означает, что за час из помещения был удалён объём воздуха равный объёму помещения. Поскольку природа не терпит пустоты, такой же объём воздуха притёк снаружи.

Но на деле не весь старый воздух покинет помещение. Какая-то часть нового воздуха, едва успев смешаться со старым, будет утянута в вытяжку. Поэтому при равных числовых показателях, конечно, лучше та система вентиляции, где такое смешивание минимально, и следовательно старый воздух удаляется полнее.

Какая же кратность воздухообмена необходима?
На первый взгляд нужно всего лишь обеспечить приток кислорода, чтобы восполнить израсходованный при дыхании. Когда-то так думали и специалисты...
Во времена I Мировой Войны, у берегов Англии, была обнаружена качавшаяся на волнах немецкая подводная лодка. Когда английские моряки с патрульного катера высадились на её борт, то некому было оказать им сопротивление. Весь экипаж был мёртв. По записям в корабельном журнале выяснилось, что лодка была послана к берегам Англии с целью ночного нападения на торговые суда. Днём она, чтобы не быть обнаруженной, погрузилась и легла на грунт. Экипаж лёг спать, за исключением вахтенного, который должен был через определённые промежутки времени открывать баллон с кислородом. Вахтенный в точности выполнял приказ, но, несмотря на поступление кислорода, дышать становилось всё труднее. Догадавшись в чём дело, он успел начать всплытие лодки, но открыть люк, чтобы проветрить помещения, сил у него уже не хватило. Немецких подводников погубил выдыхаемый ими углекислый газ.
Для поддержания необходимого человеку уровня кислорода достаточно подавать в помещение около 2м3 на одного сидящего человека, занятого лёгким трудом. А вот чтобы удалить создаваемый этим человеком излишек углекислого газа приходится подавать уже 4м3. Так происходит потому, что мы привыкли к относительно большому количеству кислорода в атмосфере, а вот углекислого газа в ней немного и даже небольшое его процентное превышение уже заметно сказывается на нашем самочувствии. Количество же образующегося при дыхании углекислого газа вполне сопоставимо с объёмом поглощённого кислорода. Между тем, считается, что его концентрация не должна превышать 0.5% объёма помещения. Таким образом, превышение процентного содержания углекислого газа наступает быстрее, чем недостаток процентного содержания кислорода.
И даже необходимость удалять запахи человеческого тела (к которым мы ещё более чувствительны) заметно ниже требуемых норм воздухообмена.

Нормы на вентиляцию установлены исходя из проверенных эмпирических закономерностей, согласно которым при уменьшении кратности вентиляции растёт число лёгочных и других заболеваний. При кратности 0.1-0.2 (т.е. когда за час сменяется 10-20% объёма помещения) фиксируется высокая заболеваемость, при кратностях выше 0.6-0.8 влияние на заболеваемость перестаёт сказываться. Вентиляционные нормы установлены с небольшим запасом и, вообще говоря, не следует пытаться сэкономить, уменьшая воздухообмен ниже этих норм.

Но если «копнуть поглубже», то окажется, что вопрос о необходимом воздухообмене не столь прост. Существующие нормы выведены как некие усреднённые значения, а реальная потребность заметно колеблется от объёма помещения, числа находящихся в нём людей, их рода деятельности. Кроме того, наш жизненный опыт подсказывает, что такие помещения как санузел или кухня нуждаются в заметно большей вентиляции, чем предусмотрено нормой. С другой стороны постоянная вентиляция пустой комнаты приводит лишь к напрасному «выдуванию» тепла из неё. Правильно подобранные домашние растения так же способны значительно оздоравливать воздух в помещении - а значит появляется возможность сократить воздухообмен и уменьшить потери уносимого с вентиляцией тепла.

Существуют «умные» системы управления домом, которые учитывают эти особенности и, например, прекращают вентиляцию комнаты, когда она не используется, а перед возвращением людей производят мощный залповый воздухообмен, который намного эффективнее постоянной, но маломощной вентиляции. Но, очевидно, такие системы не являются конструктивно простыми.
Более подробно эти вопросы рассматриваются в книге «Автономные экологические дома».

Но есть и другой путь, при котором нормы воздухообмена остаются прежними, а тепло при этом не теряется - и вот об этом следующая глава.

Вентиляция

При вентиляции из помещения удаляется старый воздух - уже нагретый. А значит, происходит и удаление тепла. Причём величина этих потерь внушительна - в обычных зданиях так теряется до трети всего отдаваемого отопительной системой. С улучшением теплоизоляции доля вентиляционных потерь тепла будет только возрастать. Поэтому самый простой и распространённый способ вентиляции - проветривание помещений - нельзя признать полностью удачным решением.

В существующих домах, как правило, предусмотрена естественная вентиляция, при которой воздух удаляется из помещения через вентиляционные шахты за счёт разности температур и, следовательно, давлений внутреннего и наружного воздуха. Поступление свежего воздуха при этом осуществляется через форточки, фрамуги, окна, неплотности окон и дверей, щели и микропоры конструкций. Приток воздуха через щели и микропоры носит название инфильтрации - она улучшает проветриваемость помещений и несколько снижает теплопотери здания в холодный период.

Но поскольку естественная вентиляция приводит к большим потерям тепла в отопительный период, она не пригодна для энергоэффективных зданий. В США по действующим строительным нормам для районов с суровым климатом (а Россия почти вся с суровым климатом) естественная вентиляция запрещена.

Циркуляция воздуха в здании с рекуператором тепла А вот так устроен сам рекуператор
Устройство рекуператора тепла

Выход в том, чтобы отбирать (и возвращать в дом) тепло у покидающего здание воздуха - это называется рекуперация. При устройстве сосредоточенной приточно-вытяжной вентиляции воздуховоды забираемого извне и отводимого наружу воздуха встречаются в рекуператоре - здесь через тонкие металлические стенки поток нагретого старого воздуха отдаёт своё тепло прибывающему холодному, нагревая его. Современные системы возвращают до 90% тепла. Но, правда общий КПД несколько ниже - ведь надо учесть ещё и энергию, потребляемую вентилятором. Который, кстати, может ещё и шуметь.
Строительные нормы некоторых стран требуют, чтобы соотношение сэкономленной тепловой энергии к затраченной электрической было не менее 8 - при нынешнем развитии техники это вполне выполнимое условие. Для вентиляции односемейного дома средних размеров достаточно вентилятора мощностью 60-70вт, а уровень шума от него снижается до порога слышимости.

Интересен немецкий опыт. В Германии теплорекуперационные установки в системах вентиляции распространены достаточно широко, институтом строительной техники рекомендуется применять устройства с возвратом не менее 70% тепла.
Распространённым приёмом является пропускание приточного воздуха по проложенным под землёй трубам, для его предварительного прогрева. В экспериментах использовались пластмассовые, чугунные, бетонные трубы. Наилучшими были признаны бетонные с полиэтиленовым вкладышем. Это один из примеров использования грунта в качестве сезонного теплоаккумулятора.
Тут, правда, следует оговориться, что данное решение, так хорошо показавшее себя в условиях относительно тёплых немецких зим, в условиях России будет эффективно далеко не всегда и не везде. Тепловой же рекуператор оказывается более универсальным решением.

Влага, присутствующая в удаляемом воздухе, так же содержит тепло как в явной, так и в скрытой форме - в виде фазового перехода вода-пар. В теплообменнике, в случае понижения температуры ниже точки росы, из уходящего воздуха начнёт выпадать конденсат, который в этом случае может быть вреден и потребует принятия конструктивных мер по удалению. Эта неприятность происходит при снижении температуры наружного воздуха ниже 5-10°C и если конденсат не удалять, то он может замерзать и закупоривать теплообменник. Приходится применять предварительный электроподогрев, периодическую смену направлений потоков воздуха и другие приёмы.
Некоторые теплообменники (например, барабанного типа) могут отдавать приточному воздуху и часть влаги вытяжного, что является их преимуществом при необходимости сохранять уровень влажности внутри помещения.

Некоторой трудностью психологического характера является запрет на проветривание открытием форточек.
В описанной системе весь приходящий воздух должен проходить через воздухообменник - т.е. через одно отверстие. Неорганизованный воздухообмен должен быть всемерно снижен. Для выявления каналов притоков лишнего воздуха созданы специальные методики: в квартирах создают избыточное давление и по характеру его падения судят о степени герметичности здания или вводят контрольный газ и следят за падением его концентрации.
Но если в рекуператоре передавать тепло не непосредственно новому воздуху, а промежуточному жидкому теплоносителю с дальнейшей утилизацией тепла, то можно позволить входящему воздуху течь по старинке через форточки и щели.

И всё же сосредоточенная система лучше, т.к. позволяет впоследствии при необходимости установить фильтрующую установку - что невозможно сделать при поступлении воздуха по-старому (разве что устанавливать фильтры на каждую форточку и щель). Таким образом, при наличии фильтра (установленного в обычно перекрытом канале приточного воздуховода), подобного устанавливаемым в бомбоубежище, дом с сосредоточенной системой вентиляции может быть в один момент надёжно защищён от последствий техногенных катастроф, ядовитых испарений или удушливого дыма.
И лучше сразу проектировать дом именно с такой системой (особенно если применяется прогрев воздуха теплом земли, по немецкому образцу), чем оставить решение этой важной задачи на потом.

Устранение бесполезного воздухообмена так же пойдёт на пользу. Действительно при должной автоматизации, которая уже не является чем-то невозможным в наше время, система управления домом может снижать до минимума или прекращать вовсе воздухообмен в помещениях где людей нет, а перед появлением людей производить залповый воздухообмен, который много эффективнее постоянного.
Если же в помещении много людей и высока их физическая активность, система может повышать активность вентиляции для этого помещения. В таких помещениях как кухня или санузел система должна следить и за выделениями влаги, радона, иных веществ - и здесь нужна активная вентиляция, но не всё время (как предусмотрено существующими нормами), а по мере появления примесей в воздухе, связанных с приготовлением пищи или жизнедеятельностью человека. В то же время, после активной очистки воздуха, вентиляция может быть снижена. И это - в плане качества воздуха в доме - будет эффективнее, нежили современная пассивная вентиляция, мощность которой при пиковых нагрузках с одной стороны недостаточна (и нежелательные запахи успевают распространиться в соседние помещения), а с другой стороны несколько избыточна (при неиспользовании этих помещений).

Тепловые насосы

Где тепла больше: в стакане кипятка или в айсберге? Странный вопрос - о глыбу льда рук не согреешь. Но ещё более странным выглядит верный ответ - в айсберге тепла больше.
Как так? А дело в том, что тепло это энергия движения молекул. Чем активнее молекулы движутся, тем выше температура тела. И если только тело не охлаждено до абсолютного нуля (-273.16°C), то молекулы продолжают движение и тепло в этом теле есть. Поэтому в большой глыбе льда тепла скрыто больше, чем в стакане кипятка.

А нельзя ли отбирать это тепло, например для обогрева дома зимой? Можно!
И устройство, способное сделать это хорошо известно каждому из нас - это холодильник.

Лишь на первый взгляд холодильник охлаждает - это потому, что мы на него обычно смотрим с фронтальной стороны. Открываем дверцу, заглядываем в морозилку - холод. А если заглянуть с «тыла» - то там от холодильника идёт тёплый воздух. Холодильник не производит холод, а делает из 0° : с одной стороны (в морозилке) -20°, а с другой (там где у него задняя стенка) +20°. Вроде как разводит молекулы более активные (и значит более тёплотворные) и менее активные (охлаждённые и забирающие тепло) по разные стороны «баррикад», которыми являются стенки холодильника.

Тепло самопроизвольно перетекает от более тёплых тел к менее тёплым, вода самопроизвольно течёт под уклон. Но насос может заставить воду течь по трубам вверх - так и тепловой насос (а холодильник - это тепловой насос) может заставить скрытое в холодных телах тепло перетекать к более тёплым, ещё более нагревая их.

Устройство теплового насоса

Чтобы тепловой насос работал, он требует энергию (обычно электрическую). Выгодно ли это? Да, ведь на выходе он выдаёт в несколько раз больше тепла, чем было затрачено электричества на его работу. Т.е. КПД теплового насоса в несколько раз больше 100% - но никакого нарушения фундаментальных законов физики здесь нет. Мы же не удивляемся тому, что обычный насос гонит воду вверх по трубам - мы понимаем, что насос эту воду не произвёл, а только переместил. Здесь точно так же, происходит только перемещение тепла, а не его производство. Поэтому на 1 затраченный киловатт электроэнергии, тепловой насос может переместить в наш дом 3-5квт тепла. Ещё лучше, когда одновременно требуются и холод и тепло, в этом случае коэффициент трансформации (отношение полученной энергии к затраченной) будет ещё выше, до 6-8. Кроме того, тепловой насос может не только греть - летом он может и охлаждать. Поэтому тепловые насосы находят всё более широкое применение для отопления и горячего водоснабжения.

Сравнение эффективности систем отопления с тепловыми насосами

Вопрос о выгоде тепловых насосов в государственном или лучше сказать планетарном масштабе не столь однозначен и одним только коэффициентом трансформации не исчерпывается. В энергетике существует такое понятие как качество вида энергии. Чем легче конкретный вид энергии передавать, хранить и преобразовывать в другие, тем выше его качество. По этому критерию наилучшей считается электрическая энергия, а наименее ценной тепловая. Выходит, что теплонасос потребляет качественную энергию для доставки менее качественной. Вдобавок эту более качественную энергию ещё надо получить.
Теперь предположим, что мы используем тепловой насос с коэффициентом трансформации 3 (КПД 300% кажется неплохим, не так ли?), но электроэнергия для него получается на ТЭЦ с КПД приблизительно 35%, остальное теряется. Тогда в тепловом насосе нет особенного смысла - проще привезти топливо в дом и сжечь для получения тепла непосредственно в доме с КПД 80-90%. Ведь выигрыш от теплонасоса в этом примере минимален, а сам он дороже и сложнее, чем обычная печка.
В этом примере речь идёт о системной характеристике работы, которая для теплонасоса является топливным показателем эффективности, равным отношению полученной тепловой энергии к энергосодержанию топлива, затраченного на электростанции для привода насоса. При величине порядка 1 и выше применение теплонасоса оправдано. Так же, если предположить, что ТЭЦ использует энергию сжигаемого на ней топлива более эффективно (например, для отопления домов или теплиц), то несколько возрастает и полезность теплонасоса.
В любом случае теплонасос безусловно в несколько раз выгоднее, чем любой электронагреватель. Электронагреватель не выдерживает того критического анализа, которому мы только что подвергли теплонасос: на 1 единицу затраченной электроэнергии электронагреватель выдаст 1 единицу тепла - а теплонасос 3-5.

Можно ли повысить КПД теплонасоса ещё больше? Теплонасос - это тепловая машина и подчиняется тем же физическим законам. Разница лишь в том, что при конструировании теплового двигателя стремятся получить максимум механической энергии при минимуме затрат теплоты (топлива), а для теплонасоса цель обратная - максимум теплоты при минимуме затрат энергии на привод насоса. Максимальный возможный КПД теплового двигателя, как известно из школьного курса физики, равен
(T1 - T2) / T1
где (T1 - T2) это разность между максимальной и минимальной температурами рабочего тела (взятыми по шкале Кельвина, отсчитываемой от абсолютного нуля). Соответственно чтобы получить максимальный коэффициент преобразования для теплового насоса, формулу надо обратить вот так
T1 /(T1 - T2)
из чего следует, что его эффективность тем выше, чем меньше разность температур. Верхний предел T1 задаётся получателем теплоты, например для напольной системы отопления это 35-40°C. Среду-донора желательно выбрать погорячее. Что же зимой горячее? Стоки из дома и вентиляционные выбросы (+16-18°C), грунт на глубине не менее 3м (+5-8°C), вода в реке или озере(не менее +4°C зимой). Теоретические КПД при этом будут равны соответственно 25, 13, 12, но реально достижимый конечно ниже, и пока что не превышает 3-5.

Бытовые теплонасосы обычно устанавливают в подвале или снаружи дома, подобно газовым баллонам.

Установка теплового насоса в здании Установка теплового насоса снаружи здания Установка теплового насоса в подвале
Варианты установки тепловых насосов: в здании, снаружи здания, в подвале

Вокруг любого жилища (за редким исключением) полно природной теплоты, которую можно извлечь теплонасосом. К тому же применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе тепловых насосов позволяет, сохранив привычный комфорт центрального отопления, избежать многих технологических и экономических (а так же экологических) недостатков систем централизованного теплоснабжения.
Поэтому в экономически развитых странах тепловые насосы внедряются ускоренными темпами. На рубеже тысячелетий, их число, установленных в жилом секторе, уже измерялось десятками миллионов. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020г 75% коммунального и производственного теплоснабжения в экономически развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

В США 30% вновь строящихся малоэтажных домов оснащаются теплонасосными установками. Разработаны эффективные технологии и технические средства для отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов за выброс CO2 при сжигании топлива и система поощрений за использование тепловых насосов.
В Швеции около половины тепла вырабатывается теплонасосными установками. В Германии выплачиваются наиболее крупные дотации за использование теплонасосов, за 1квт введённой тепловой мощности из бюджета выплачивается 300 марок.
В России же, которая по суровости климата более других нуждается в тепловых насосах, их число измеряется пока лишь сотнями.

Влагоперенос в стенах и крыше

Человек ощущает влажность воздуха в основном кожей и слизистыми оболочками в отношении трудности или лёгкости испарения с них. А это зависит от относительной влажности воздуха, означающей степень насыщенности воздуха парами воды относительно максимально возможной при данной температуре. Чем выше температура воздуха - тем больше водяного пара может в нём присутствовать. Может, но не обязательно присутствует. И никогда не превосходит так называемой точки росы равной 100% - при достижении этой величины влага из воздуха начинает конденсироваться в капли, выпадающие в виде дождя или росы.
Абсолютная влажность воздуха это содержание количества воды в единице объёма. Она быстро растёт с температурой, конечно при условии, что воде есть откуда испаряться в нагретый воздух. Разумеется, в Сахаре очень жарко, но влажность мала. Однако жилой дом - не пустыня Сахара, и в нём абсолютная влажность тем выше, чем выше температура. Но это вовсе не значит, что растёт и относительная влажность - она даже может падать при этом.

Как же так? Посмотрим на пример отапливаемого помещения в зимнее время. Человеку внутренний воздух покажется сухим (температура +20°C, относительная влажность 50%), а наружный - влажным (температура -5°C, относительная влажность 100%). Но на самом деле во внутреннем воздухе при этом будет содержаться 8.6г/м3, а во внешнем всего 4.85г/м3, т.е. почти вдвое меньше.

Для нас этот факт представляет большой практический интерес. Ведь вещество всегда стремиться переместиться из того места где его много (точнее высокая концентрация) в место где его мало (низкая концентрация) - происходит выравнивание концентраций путём диффузии. Стены дома для этого - не помеха, водяные пары диффундируют сквозь микропоры стен наружу, из казалось бы сухого внутреннего воздуха в казалось бы сырой наружный. Весьма прискорбно, что не только в школьном курсе физики, но и даже в учебной строительной литературе эти объяснения не приводятся, поэтому даже специалисты порой не могут внятно объяснить этот момент.

Более того, иногда специалистов ставит в недоумение вот какой вопрос: известно холодный воздух снаружи всегда просачивается через микропоры стен внутрь помещения - так почему же он не препятствует движению влаги наружу?
Это действительно так, холодный воздух движется сквозь те же самые микропоры стен внутрь отапливаемого помещения из холодной окружающей среды. Вот только скорость его просачивания не более сантиметров в секунду. А скорость встречного движения паров влаги на 2 порядка выше - несколько метров в секунду!

То, что внутренний воздух содержит больше влаги в абсолютном исчислении, чем наружный, объясняется тем, что бытовая жизнедеятельность людей сопровождается значительным влаговыделением. При трёхразовом приготовлении пищи испаряется приблизительно 1кг, мытьё посуды добавляет 0.5кг, дыхание 4 человек - 5кг за день. А ещё душ, принятие ванны, стирка и сушка белья, влажная уборка... Итого одна семья производит 15кг пара в сутки.

Просачиваясь в толщу стены, пары воды постепенно попадают в области со всё более низкой температурой, которая в какой-то момент может оказаться ниже их точки росы (максимально возможной 100% относительной влажности). В этот момент начинается конденсация - в порах материала стены выпадает микроскопический туман и дождь. Материал стены намокает, а намокший материал греет хуже. В частности, поэтому строители предпочитают теплоизолирующие материалы с минимально возможным влагопоглощением. Ведь накопление воды в конструкциях может быть достаточно большим, так в неправильно сконструированных тёплых крышах к весне могут намерзать большие линзы льда.

Перенос влаги в толще стены

Потоки воздуха и влаги в стене противонаправлены и диффузия влаги несколько ослабляется встречным потоком воздуха. В крыше же оба этих потока идут в одном направлении - наружу, и воздушный поток только усиливает диффузию паров. Вдобавок крыши, как правило, имеют менее плотную и более проницаемую для воздуха конструкцию. Поэтому опасность перенасыщения влагой материалов тёплых крыш выше чем стен, и следовательно пароизоляция для них должна выполняться с особой тщательностью. Если же этого не сделать, то к весне в слое утеплителя линзы из льда намёрзнут обязательно. Тая, они создадут дождик в помещении, даже если крыша полностью освобождена от снега.

В процессе изменений погоды накопившая в стенах вода может то замерзать, то оттаивать, соответственно то расширяясь, то сжимаясь. В природе этот процесс известен как эрозия, т.е. естественное разрушения горных пород. Точно так же происходит постепенное разрушение стен. Вдобавок во влажной стене поселяются грибки и плесень, усугубляя процессы деструкции материалов.

Чтобы уменьшить намокание стен и крыши, строители обычно сразу за слоем внутренней отделки располагают пароизолирующий слой (который так же оказывается и преградой для воздуха) в виде какой-либо плёнки или штукатурного слоя. Можно даже полностью перекрыть диффузию влаги в стену, но стены при этом теряют способность дышать, что ухудшает гигиену помещений. Поскольку в тёплое полугодие стены сохнут, проектировщики обычно подбирают такое влагосопротивление парозадерживающего слоя, чтобы стены не слишком намокали за зиму, а за лето успевали просохнуть. Кардинальным решением было бы создание плёнок, которые обладали бы избирательным пропусканием: малым для воздуха и большим для паров воды - но пока это нереально.

Для уменьшения вероятности конденсации влаги в несущей стене обычно слой теплоизоляции располагают снаружи стены или каркаса. В результате область конденсации сдвигается ближе к наружной поверхности, где она наносит меньше вреда несущим свойствам стены, а вдобавок улучшаются условия последующего испарения влаги. Этому же служит воздушный зазор между утеплителем и защитной наружной оболочкой в популярных стенах с вентилируемым фасадом.

При прочих равных, увеличивая теплоизоляцию, мы уменьшаем вероятность конденсации пара в стенах. Поэтому хорошо утеплённое здание страдает от конденсата меньше, а значит и служит дольше и жить в нём приятнее.

Теплоинерционность или теплоизоляция

Небольшая печка-буржуйка быстро разогревается, но дом ею не протопишь. Однако, если обложить её камнями, то греть она начинает значительно лучше. А большая русская печка греет ещё лучше. Это и есть практический пример теплоинерционности.

Только не надо думать, что чем теплоинерционность выше, тем лучше - ничего подобного. При слишком большой теплоинерционности, начав греть дом в стужу, прогреем лишь к оттепели.
Вот хорошо знакомый многим горожанам пример - на улице оттепель, а батареи центрального отопления горячие, в квартире душно, хоть окна на распашку открывай. Затем ударил мороз, а батареи едва тёплые - снова все ругают неразумных (или нерадивых) коммунальщиков. А напрасно - дело в том, что крупные ТЭЦ обладают большой технологической инерционностью, ведь им нужно прогревать большие объёмы воды в трубопроводах и батареях отопления, а сделать это быстро сложно, да и по технологическим соображениям нельзя. Вот они и не успевают подстроиться под колебания погоды. Здесь теплоинерционность оказывается вредна.

Проектировщики стремятся повышать теплоинерционность здания, чтобы оно легче переносило периоды экстремально низких температур и меньше остывало при периодическом (печном) отоплении. Рецепт для этого давно известен - здание должно быть помассивнее, потяжелее - ведь массивные и тяжёлые материалы обладают и большей теплоёмкостью. Если же дом лёгкий (например, каркасный или деревянный) проектировщик «воткнёт» в него бетонный пол или внутренние кирпичные стены - т.к. он не видит другого пути повысить теплоинерционность этого здания. То, что другой путь может существовать, объяснить невозможно, ведь в ВУЗах в головы будущих архитекторов буквально вдалбливают убеждение, что в здании обязательно должны быть «термальные массы».

Но что если вместо повышения теплоинерционности - улучшить теплозащиту?
Очевидно, что с этим уменьшатся теплопотери здания, а значит оно будет терять меньше тепла - меньше остывать в холода и меньше нагреваться в жару. Т.е. приобретёт все те свойства, которых обычно добиваются повышением теплоинерционности, но окажется легче и как правило более дешёвым в постройке. И конечно же заметно более экономичным в эксплуатации.

Идя по этому пути, потребности индивидуального дома в энергии на отопление для среднероссийских условий могут быть снижены до 4мвт*час за год, горячее водоснабжение потребует ещё 3-4мвт-час. А между тем неотопительные выделения в обитаемом доме на семью из 4 человек составляют более чем 10мвт*час за год. Говоря попросту: хорошо утеплённый дом может совсем не нуждаться в отоплении и при этом в нём будет тепло и он будет обеспечен городскими бытовыми удобствами.

Как же добиться должной теплоизоляции? Выбрать подходящий материал поможет коэффициент теплопроводности , измеряемый в вт/м°K, который составляет:

  • для железа - 58
  • для бетона - 1.8
  • для кирпича - 0.8
  • для стекла - 0.76
  • для воды - 0.6
  • для пустотного кирпича - 0.4-0.6
  • для дерева вдоль волокон - 0.3
  • для дерева поперёк волокон - 0.2
  • для распространённых утеплителей (минераловата, пенополистирол) - 0.04-0.05
  • для неподвижного воздуха - 0.026
  • для лучших современных теплоизоляционных материалов - 0.02, т.е. даже лучше чем для неподвижного воздуха, долгое время бывшего эталоном теплоизоляции

Дополнительно, для уменьшения передачи тепла излучением, в теплоизоляционные материалы может вводиться зеркальная, отражающая тепло плёнка (чаще всего это полимерная плёнка с напылённым тонким слоем алюминия) - что может поднять сопротивление теплопередаче ещё на 5-20% (в рекламных материалах этот эффект сильно завышается). Однако такая плёнка обладает чрезмерной способностью к пароизоляции, что вряд ли хорошо для здания, в особенности жилого здания, поэтому полезность этого улучшения остаётся спорной.

Ещё важно отметить, что теплоизолирующие материалы, в сущности, состоят из ячеек, заполненных воздухом (иногда менее теплопроводным газом). Ячейки могут сообщаться друг с другом - и такой материал называют открытоячеистым, или быть изолированными - тогда материал называют закрытоячеистым. Закрытоячеистый материал в существенно меньшей степени впитывает воду. А ведь вода, замещая в ячейках воздух, существенно увеличивает теплопроводность материала.

Практически всё вышеприведённое сводится вот к чему: хорошо утеплённым (настолько чтобы не нуждаться в отоплении) может считаться лишь дом с термическим сопротивлением в 10м2°C/вт. Для удовлетворения этому условию кирпичная стена должна иметь толщину 8м, деревянная 2м, а сделанная из распространённых современных утеплителей - всего около полуметра. Правда, эти теплоизоляционные материалы не обладают большой механической прочностью, поэтому этот расчёт верен для каркасной конструкции стен. Если же от стены требуется большая прочность, то можно обшить теплоизоляцией кирпичную стену, правда при этом общая толщина стены будет не менее 0.65м. Можно уложить теплоизоляцию меж двух слоёв кирпича - общая толща стены в этом случае возрастёт до 0.8м.

Конечно, стена толщиной в 80см может показаться некоторым людям (особенно иным профессиональным строителям) необычно толстой. Кое-кто даже скажет что такая стена «съест» слишком много пространства. Что ж, посмотрите на внешние стены кирпичных «сталинских» домов - их толщина не менее чем в «три кирпича» это 75см. Неудивительно, что в «сталинках» заметно теплее, чем в «хрущёвках», стены которых в 1.5 а то и 2.5 раза тоньше. А знаменитые «палаты белокаменные» Ивана Грозного имели толщину стен в 3 метра - вот в них и было тепло в любую стужу.

И ведь речь идёт только о внешних стенах! То, что мы сделаем внешнюю стенку толще, почти не увеличит общую занимаемую зданием площадь. Да и живём мы не в Голландии, где каждый клочок суши отвоёван у моря. Кстати, в той же Голландии, с более мягким чем у нас климатом, строят дома с термическим сопротивлением стен в 10м2°C/вт и соответственно той же толщиной от 0.5 до 0.8м (а есть постройки и со стенами метровой толщины).

Но важна не только толща стены - а ещё более её конструкция. Хорошая стена не может быть монолитной. В этом нет ничего удивительного, такова общая тенденция развития техники - композитные конструкции оказываются эффективнее монолитных.
Однако это не значит что всякая многослойная стена - хороша. Вовсе нет. В любой стене невозможно полностью избежать мостиков холода, хотя бы по причине наличия окон и дверей. Они представляют собой перемычки из прочных, и потому относительно теплопроводных материалов, пронзающих слой теплоизолятора. Поэтому важно в достаточной степени минимизировать их теплопроводящее влияние.
Невыполнением этого условия грешат все современные стены, в том числе и стены хвалёных канадских домов, где много мостиков холода и поэтому суммарная теплозащита стен оставляет желать лучшего. Она, вероятно, достаточна для тёплой Канады (в Ванкувере средняя температура января 0°C), но недостаточна для России.

Каркасные дома

Лозунг «Мой дом - моя крепость» звучит привлекательно, но в прямом смысле понимать его не надо. Современные стены не в силах защитить даже от современного ручного оружия. Например, как показали пробные стрельбы, советский пистолет ТТ пробивает навылет американский армейский бронежилет с дистанции в 75м. А ведь этот бронежилет специально сделан чтобы защищать от пуль. Даже довольно толстая кирпичная стена крошится в пыль под очередью из автомата.
Раз уж мы не можем сделать крепость военного значения - то и не будем. А лучше подумаем, чего же мы можем желать от стен?

Оказывается прежде всего от стен нам нужна способность удерживать тепло в доме. А достаточную механическую прочность заведомо обеспечит практически любая современная конструкция стен.

Поэтому на почётном втором месте требование дешевизны стены. А из чего складывается её цена? Нет, не только из собственно стоимости материала - а ещё из стоимости его доставки и трудоёмкости изготовления стены из этого материала. Например, дом из камня, кирпича, бетона в среднем весит 300 тонн. А такой же дом, построенный по каркасной технологии - только 75 тонн. Т.е. 225 тонн груза не придётся доставлять и не придётся укладывать в стену, что сэкономит труд рабочих, позволив нанять меньшую по численности бригаду и она управиться со строительством быстрее.

Ещё полтора века назад в Америке освоили производство простейших деревянных каркасов, которые произвели переворот в индивидуальном строительстве. Новизна была в простоте: тонкие пронумерованные стойки на всю высоту дома, поставленные довольно часто, соединялись гвоздями с горизонтальными элементами. Устойчивость стен усиливалась дощатой обшивкой. Никаких шипов и укосин, применявшихся в дорогостоящем европейском «фахверке». Один мужчина и помощник-подросток легко собирали такой дом за несколько дней. Применение ручных механизмов снижало стоимость монтажа на 40%. Сборка дома на гвоздях, подобно ящику, позволила за один-два года превратить небольшие деревни - Чикаго и Сан-Франциско - в крупные города.

То, что некоторые каркасные дома, в частности канадские, будучи построенными у нас, показали себя с отрицательной стороны, объясняется нарушениями технологии возведения и неприспособленностью конструкций к нашему климату. В частности в канадских домах, слабое для наших условий утепление. С другой стороны это и неудивительно - ведь за образец были взяты дома, рассчитанные на небольшой срок службы (по существу времянки, при этом предлагавшиеся здесь как полноценные дома).

Для долговечных каркасов может применяться бетон, но желательно не со стальной арматурой, а с арматурой из композитных материалов (стекло, базальт, углепластик). На Западе такой материал успешно применяется для строительства, а вот в России до сих пор не исследован и не производится.

Но и деревянный каркас может быть долговечным и даже не боятся огня. Штукатурка, закрывающая каркас, способна сопротивляться огню десятки минут, чего вполне хватает для эвакуации. Ведь пожар обычно начинается внутри здания. Горит внутренняя обстановка - независимо от материала стен. А люди если гибнут, то как правило не от огня, а задохнувшись в дыму, что происходит задолго до загорания стен. Более того, проведённые в США испытания показали, что соломенные стены с деревянным каркасом, покрытые толстым слоем глиняной штукатурки, сопротивляются огню больше 2 часов (на сколько именно больше - неизвестно, т.к. процедурами испытаний большие сроки не предусмотрены). Для сравнения незащищенные металлоконструкции выдерживают только 15 минут.

В отечественной классификации дерево-каркасные дома отнесены к 5 группе капитальности, подразумевающей срок службы в 25-30 лет. Но если при строительстве выдержаны требования к пиломатериалам, конструкция надёжно защищает деревянные детали от увлажнения, то дома с деревянным каркасом могут стоять столетия, что и видно на многочисленным примерах в Европе и России. Так что дерево оказывается многократно долговечнее железобетона (который служит всего лишь 80 - 120 лет).

Дерево может разрушаться насекомыми и микроорганизмами. Но ни те, ни другие не живут в сухом закрытом дереве (исключая термитов, но они, по счастью, в России не водятся). Правильная же конструкция каркасного дома и направлена на то, чтобы обеспечить эти условия. Влага может попадать в стены либо в результате протечек, либо благодаря конденсации. От протечек разрушаются и каменные стены, их нужно ликвидировать текущим ремонтом. А сконденсированная влага, в правильно построенной стене не накапливается.

А ещё каркасные дома необычайно сейсмоустойчивы. Дело в том, что при подвижках почвы, они деформируются - но не разрушаются, так что жилец такого дома застрахован от падения потолка на голову. А вот обеспечить сейсмоустойчивость каменных зданий большая проблема, последние японские разработки в этой области предлагают компьютеризированный фундамент из гидравлических домкратов, и даже это сложнейшее техническое решение не может гарантировать безопасность жильцов.

Прессованная солома

Вот он соломенный блок Вот он соломенный блок

Наверное, читателю пришёл на память какой-то там по счёту несчастный поросёнок из всемирно известной английской сказки, чья история действительно довольно печальна. Но мы обратимся не к сказке, а к сухим фактам - протоколу испытаний Технического комитета при Совете Российского пожарного общества от 28 декабря 1915 года:

Для испытания на льду реки Малой Невки было возведено небольшое строение из соломита. Внутри помещения и возле стен были сложены древесные стружки, солома, щепа и обрезки досок, облитые керосином. Всё это было подожжено, причём изнутри стены предварительно несколько раз поливались керосином.

Для поддержания огня периодически подкладывались стружки, щепа и солома, облитые керосином. Через 20 минут после начала пожара подбрасывание горючего было прекращено, причём во все время горения строение не поливалось водой и никаких мер к прекращению горения не предпринималось.

В результате стены строения не загорелись и не обрушились, а только местами обуглились с поверхности на небольшую глубину, причём оштукатуренная часть стены осталась без всякого изменения, и слой соломита под штукатуркой оказался в своём первоначальном состоянии. Крыша, она же потолок строения, так же не загорелась, но обуглилась с внутренней стороны на более значительную глубину сравнительно со стенами строения. Наружная поверхность крыши осталась неповрежденной, ком снега положенный на крышу при самом начале пожара, остался не растаявшим.
(«Известия Института путей сообщения» 1916г.)

Что это за чудесный соломит? Это сильно спрессованная солома, лучше всего ржаная, а так же вместо соломы может применяться камыш (тогда материал называют камышитом). Он изготавливается в виде матов плотностью 200-300кг/м3. Они с успехом применялись при строительстве как в России, так и за рубежом ещё в первой половине XX века, потом были незаслуженно забыты.

И напрасно. Ведь многочисленные опыты в разных странах неизменно подтверждали высокую огнестойкость соломита - при пожаре он обугливается с поверхности максимум на 1-4см.
Так происходит потому, что при обугливании соломита с поверхности, образуется слой золы, богатой кремнезёмом, который препятствует проникновению воздуха внутрь и делает дальнейшее горение невозможным. А кремнезёма в соломе в несколько раз больше, чем в древесине.

Коттедж из соломенных блоков в процессе постройкиГотовый коттедж из соломенных блоков
Коттедж из соломенных блоков в процессе постройки

Однако это мы говорили об очень плотно спрессованной соломе. А если прессовать солому менее плотно, то она всё-таки горит. Что же делать?

С конца XIX века существует и другая технология применения соломы в строительстве. В 80-х годах XIX века, американские поселенцы в штате Небраска столкнулись с проблемой дефицита строительных материалов, в первую очередь древесины, поскольку местность там представляет собой практически безлесную степь. Зато существовали идеальные условия для выращивания зерновых культур. И как раз в то время появились первые механические тюкователи для соломы, которые позволяли получать достаточно плотные блоки (около 100кг/м3). Такой блок достаточно прочен, чтобы складывать из него стену, как из больших кирпичей. Такие одноэтажные постройки как хлев или сарай можно возвести даже без каркаса (а чтобы блоки соломы не смещались, их протыкали длинными кольями-жердями, перевязывая так их ряды друг с другом). Да, такой слабо прессованный блок подвержен огню, как и дерево - зато не стоит почти ничего, ведь по сути он отход сельского хозяйства. Многие стали строить из этих блоков дома, так что возникли целые соломенные деревни.

Немало тех домов стоит и поныне. В основном это одноэтажные жилые сооружения площадью около 70м2. Имеются сведения о том, что подобным образом сооружались школы, магазины и другие строения. А в настоящее время, на волне борьбы за сохранение природных ресурсов, эта технология переживает второе рождение.

Интересно, что как оказалось, солома в домах не гниёт, она остаётся сухой и в ней не заводятся ни грибки, ни плесень. Спустя век, извлечённая из стены, она находится в отличном состоянии и, например, поедается коровами. Таким образом, соломенный дом - это здоровый дом. К тому же с отличными звуко- и тепло-изоляционными свойствами. И очень дешёвый в постройке.

Но как быть с пожароопасностью? Ещё раз напомню, в отличие от сильно спрессованного соломита, соломенные блоки из под пресс-подборщика сами по себе всё же горят - однако, будучи закрыты специальной штукатуркой на глиняной основе, проявляют очень высокую огнестойкость, превосходящую по результатам американских испытаний, огнестойкость стальных конструкций. До их загорания на открытом пламени проходит 40 минут, а стальная балка, при тех же условиях, теряет свою прочность уже через 15 минут.

Но на этом чудеса, преподносимые обыкновенной, но спрессованной, соломой, не кончаются. В прошлой главе мы упоминали о стойкости различных материалов к современному оружию. Так вот, пробные стрельбы показали, что в стену из прессованной соломы пули проникают всего лишь на 15см - и вязнут в ней. Если учесть, что обычно толщина такой стены не менее полуметра, то против вот такой современной соломенной стены охотившемуся за поросёнком Волку из известной сказки не помог бы даже пулемёт.

В Белоруси технология строительства соломенных домов хорошо разработана Е.И.Широковым. Дома его конструкции стоят в Германии с 1990-х годов. С 2015 года Широков почти постоянно находится в России, развивая здесь производство соломенных блоков и проводя семинары для строителей эко-домов. Особенностью его технологии является полная пожаробезопасность соломенных зданий - их стены не загораются и через два часа в открытом пламени. Все материалы только натуральные природные продукты, поэтому дома конструкции Широкова здоровые - люди даже ощущают возвращение здоровья от проживания в таких домах. Соломенные стены обладают чудесным механизмом самовентиляции, по эффективности практически недостижимым для лучших современных компьютеризированных систем. Один из наглядных образцов эко-коттеджа его конструкции можно видеть на приведённой последовательности фотографий.

Вентилируемые фасады

Стена с вентилируемым фасадом отличается тем, что между наружным отделочным слоем и утеплителем, у неё имеется воздушный зазор не менее 2-2.5см, который наверху и внизу сообщается с атмосферным воздухом. Благодаря этому происходит постоянная циркуляция воздуха в зазоре, и испаряющаяся из толщи стены влага (а как мы уже знаем, она там обязательно будет) активно уносится.

Наружный слой обычно выполняется из плиточного материала на лёгком каркасе, который удерживается в вертикальном положении кронштейнами, соединяющими с основной несущей конструкцией и расположенными в шахматном порядке. Кронштейны служат мостиками холода, поэтому должны выполняться из материалов с минимальной теплопроводностью.

Как показывает мировая практика, вентилируемые фасады ведут себя отлично как в условиях крайнего Севера, так и при резких и частых перепадах температур. Они не подвержены действию влаги, технологичны в сборке и отличаются высокой ремонтопригодностью (что иногда недооценивают, а напрасно). В то же время альтернативные фасадные системы со штукатурными слоями по утеплителю склонны к быстрому разрушению даже в условиях умеренного климата. А облицовка кирпичом утяжеляет конструкцию стены, делает её более толстой и опять-таки ухудшает ремонтопригодность.

После разрушительного наводнения 2001 года, в Ленске строились деревянные каркасные дома с минераловатным утеплителем. Во время первой зимы обнаружились многочисленные локальные промерзания стен, в том числе с образованием наледи с внутренней стороны. Это явилось результатом того, что мягкий минераловатный утеплитель был плохо закреплён или положен с разрывами (по небрежности строителей или по незнанию). После оседания утеплителя образовались сквозные незащищённые утеплителем участки, которые и промёрзли. В случае использования навесного фасада, такие дефекты можно было бы легко устранить - демонтировать часть панелей в месте промерзания и, получив доступ к слою утеплителя, восстановить его целостность.

Рационально сконструированная стена в варианте вентилируемо фасада, должна состоять из следующих слоёв:

  • внешней прочной оболочки
  • воздушного зазора для удаления излишней влаги из утеплителя
  • ветрозащитной (но влагопроницаемой) плёнки
  • слоя теплоизолятора
  • пароизоляционного слоя
  • внутреннего несущего каркаса или тонкой оболочки
  • внутренней отделки

Прочная внешняя оболочка должна выполнять роль внешней декоративной отделки. Она может служить опорой для внешних устройств, таких как солнечные коллекторы, оконные ставни, балконы и т.д. Она может обеспечивать защиту от механических повреждений. Кроме того, она может быть несущей конструкцией для кровли.
Если же она не является несущей - то её целесообразно делать легкокаркасной. В этом случае поддерживающие перемычки-кронштейны лучше делать из водостойкой фанеры или композитных материалов, чтобы уменьшить теплопотери через них.

Нет необходимости делать наружный слой полностью ветронепроницаемым, поскольку некоторое движение воздуха за ним в вентиляционной прослойке перед утеплителем желательно. А для того, чтобы ветер не проникал в слой утеплителя, его покрывают специальной ветрозащитной плёнкой, которая в то же время не препятствует испарению влаги. Отечественная промышленность выпускает такие плёнки под марками «Изоспан А», «Слафол С».

В принципе холодные кровли с утеплённым чердачным перекрытием работают как вентилируемые фасады, только положенные наклонно. Действительно, у них за теплоизоляционным слоем, уложенным на перекрытие, следует воздушный вентилируемый объём (чердак), а затем твёрдая защитная оболочка (кровля). Они, как правило, не доставляют проблем при эксплуатации.

Некоторые утеплители могут выделять в окружающее пространство нежелательные вещества. Стекло- или минерало-ватные плиты выделяют вредные вещества из синтетических смол, используемых для придания им жёсткости, и мелкие фрагменты волокон, которые в виде пыли, могут глубоко проникать в дыхательные пути. при использовании таких материалов их приходится отделять от внутреннего пространства дома непроницаемой для частиц оболочкой, по совместительству эту роль иногда может выполнять парозащитная мембрана.

Фундамент и подвал

«Из всех ошибок, происходящих на стройке, наиболее пагубны те, которые касаются фундаментов,
так как они влекут за собой гибель всего здания и исправляются только с величайшим трудом.»
А. Палладио, итальянский архитектор XVI века

Фундамент - основа дома, его самая ответственная часть, исправление допущенных в нём ошибок обходится дороже всего. Иногда даже говорят, что на фундаменте нельзя экономить. Можно, и даже нужно - но делать это должен только профессионал-проектировщик.

Спасшемуся после кораблекрушения земная твердь представляется чем-то абсолютно надёжным и незыблемым. С точки же зрения специалистов по инженерной геологии и проектированию фундаментов, она представляется весьма зыбкой на расстоянии уже в несколько метров. Особенно это характерно для нашей страны, где сезонные замерзание и оттаивание почвы приводят, вследствие аномального поведения воды вблизи точки замерзания, к значительным и неравномерным колебаниям грунта.

Потеря тепла через фундамент Потеря тепла через фундамент

Грунты неодинаково пропускают поверхностные и подземные воды. Это отражается на поведении прилегающей к постройке почвы. Верхний её слой в средней полосе России промерзает зимой на 1.4-1.8м. Замерзание влечёт за собой пучение грунтов, насыщенных влагой. Как известно, вода при замерзании, в отличие от других веществ, не уменьшается в объёме, а расширяется. Поэтому многие водосодержащие грунты, в частности глинистые, при замерзании вспучиваются, а при оттаивании оседают. Эти силы морозного пучения достигают величин 10-15тонн/м2 и могут поднять-опустить любое здание. Равномерные подъёмы и опускания были бы незаметны и не создавали бы проблем, но в реальности эти силы на протяжении даже небольшого фундамента всегда неравномерны не только по вертикали, но и по горизонтали. В результате - сдвиги стен, разрыв кладки, что ослабляет фундамент, наполняет подвал сыростью и плесенью. Влажные грунты имеют свойство смерзаться с закопанными частями дома и, вспучиваясь, приподнимать их. А неблагоприятные погодные условия могут спровоцировать повышение грунтовых вод. Нередко это приводит к серьёзным повреждениям постройки. Чтобы избежать этой напасти, строители издавна советуют заглублять фундамент ниже глубины сезонного промерзания грунтов в данной местности (её можно узнать из справочной литературы, например, для Подмосковья она равна 1.5-1.7м).

Но и это ещё не всё. Просачиваясь сквозь почву и перемещаясь в ней, осадки и грунтовые воды растворяют различные твёрдые вещества и газы, образуя кислоты и щелочи, которые разъедают бетон. Процесс разрушения фундамента незаметен, но его последствия весьма ощутимо сказываются на здании: нарушается целостность несущих конструкций, плесень и грибок перекидываются через подвал на верхние этажи и затрагивают в конце концов весь дом. Дверные коробки и оконные рамы могут сильно деформироваться, что станет причиной появления щелей и зазоров, через которые дом начнёт ускоренно терять тепло. Паркет или любое другое напольное покрытие под воздействием сырости коробится. А новый ремонт не гарантирует, что восстановительный процесс не придётся повторять снова и снова.

Важно так же наличие или отсутствие подвала или цокольного этажа. Конечно, в ряде случаев конкретные грунтовые условия в месте строительства диктуют тот или иной выбор. Однако в общем случае можно сказать, что для энергоэффективного дома подвал всё же желателен, хотя и не обязательно под всем домом. В подвале можно разместить различные инженерные устройства, освободив от них надземные этажи, а так же в нём можно устроить погреб для хранения продуктов (особенно выращенных на своём участке). Наконец, при желании подвал можно оборудовать и как убежище (в 50-е годы так поступали некоторые американцы, опасаясь возможности ядерной войны). В общем, подвал - это дополнительная площадь, которой можно распорядиться с умом и по собственному усмотрению.

Но даже если подвала нет - гидроизолировать фундамент надо. Для этого применяют 3 вида мероприятий (их можно применять и совместно):

  • поверхностную защиту - обмазку различными мастиками, оклейку водонепроницаемыми плёнками
  • введение в бетон, на этапе его приготовления, специальных гидроизоляционных добавок или пропитку гидрофобными составами уже готового бетона
  • отливку монолитного фундамента за один приём с тщательной обработкой его вибраторами

А вот выполнение фундамента сборным из отдельных блоков или кирпича - нежелательно, по причине проблематичности в этом случае обеспечения хорошей гидроизоляции. Кроме того, такой фундамент оказывается избыточным по массе и прочности для малоэтажных зданий.

Фундамент мелкого заложения Морозоустойчивый фундамент мелкого заложения и граница максимального промерзания грунта

Промерзание грунта зимой приводит и к потере тепла из здания через фундамент.
Как средство борьбы с этой напастью, да и с морозным пучением, появились морозоустойчивые фундаменты мелкого заложения (МФМЗ). Они уже доказали свою эффективность, в том числе на Севере, очень хорошо зарекомендовали себя на Аляске. Идея их проста и элегантна: встретить врага (холод) на дальних подступах, не допуская его до фундамента. А для этого теплоизолировать не сам фундамент, а окружающий его массив грунта. Площадь поверхности грунта по периметру здания (через которую основная масса холода зимой и проникает к фундаменту) сравнительно невелика, а стало быть и утеплителя требуется немного. А раз грунт не замерзает, то устраняется и морозное пучение. Получается что граница промерзания грунта искусственно сдвинута к поверхности - и значит фундамент можно заглублять не так глубоко - что уменьшает затраты на него.

Наклонное утепление (термоотмостка) укладывается по всему периметру фундамента в виде юбки. Утеплять таким образом фундамент целесообразно в любом случае, даже если он заложен глубоко, из желания иметь подвальное помещение.
Эта конструкция стала возможной после появления экструзивного пенополистирола (неэкструзивный не годится!) и пеностекла с почти нулевым влагопоглощением, долговечных и устойчивых к почвенным растворам. Схема иллюстрирует утепление фундамента и характерные нулевые изотермы в зимний период.
Единственное ограничение: здание с таким фундаментом должно обязательно эксплуатироваться зимой, иначе фундамент может промёрзнуть через пол первого этажа.

Дренаж и сохранение гидрологического режима

Когда возводится фундамент, тем самым нарушаются сложившиеся естественным образом на этом месте над- и под-земные водотоки, которые составляют гидрологический режим местности. К этому режиму были приспособлены все местные растительные экосистемы. А теперь фундамент представляет собой плотину для движущихся подземных вод - и значит, после его постройки уровень грунтовых вод будет повышаться.

От повышенной влажности с одной стороны будет страдать сам фундамент и подвал, с другой местность вокруг. Повышение грунтовых вод может приводить и к просадкам грунта под фундаментом и к увеличению сил морозного пучения, разрушающих здание. Для ликвидации этих нежелательных последствий рекомендуется, по наружному контуру фундамента, устройство дренажа для отвода влаги.

В целом дренаж представляет собой разветвлённую систему взаимосвязанных труб, располагающуюся вокруг или вдоль защищаемой от влаги постройки. В систему поступает стекающая по грунту вода. Собственно труба (специалисты называют её дреной) имеет в стенках сеть отверстий диаметром приблизительно 1.5-5мм. Они расположены по всей или почти по всей окружности трубы на определённом расстоянии друг от друга.

Современные полимерные трубы и специально разработанные грунтовые фильтрующие материалы способны эффективно служить как минимум несколько десятилетий.

Дренаж можно укладывать как до, так и после гидроизоляции фундамента - но строго перед общей засыпкой внешней стороны фундамента. Если к коттеджу ещё не подключены внешние коммуникации, то разумно заранее указать места предполагаемых вводов - это позволит в последствии сохранить целостность и работоспособность дренажной системы.

Я готов построить дом?

Вот мы и рассмотрели все основные части дома. Быть может не слишком подробно, но для общего понимания того как устроен загородный коттедж этого достаточно.

А вот чтобы построить его - этих знаний всё же маловато. И дело не только в том, что даже небольшой дом штука довольно сложная, при проектировании нужно учесть массу взаимовлияющих факторов и сделать это может только опытный проектировщик - иначе в процессе постройки и после нее могут выявиться серьезные изъяны.

Ведь мы ещё совсем не рассматривали дом с самой важной для него стороны - насколько он удобен для жилья? Какие в нём нужны внутренние коммуникации и инженерные сети? Как можно использовать даровые источники света, тепла, энергии? Как не загрязнять окружающую среду и как экономить на этом с пользой для природы?

Как сделать здание - домом? Настоящим жилым домом, в который хочется возвращаться, чтобы набраться новых сил.
Об этом и идёт речь в книге «Автономные экологические дома».


Если Вам понравился этот материал, не стесняйтесь нажать ссылку внизу и «Поддержать сайт» или «Поддержать автора»
(который потрудился изложить научные знания простым и понятным языком)

Нужна консультация по эко-строительству? - Всегда рад помочь

8 сентября 2010г
Алексей «Рекс»
Я люблю паро-панк Поддержи сайт
купи наши игрушки
Письмо
автору
  Поддержи
автора
Сайт существует с 16.12.2017