Про многослойность утеплителя и почему и как это хорошо

Я что-то совсем забыл написать что-то около научное :))

Этот пост про то как я решил делать утепление для своего каркасного геокупола.
Сначала я конечно занялся доскональным изучением всего что уже сделано до меня.
Мне нужно было достигнуть некоторой степени ясности в тех процессах, которые происходят с утеплителем в доме, который находится в наших широтах (Новосибирск).

Сразу скажу, что опирался на формулы и объяснения показанные на сайте:
"http://теплопроводность.рф"

Конечно некоторые вещи я уяснил еще когда сам экспериментировал с саманом.

Ну во-первых стоит уяснить, что вот стоит себе дом, утепленный каким-либо способом и вроде бы ничего не происходит, но нет... там идут процессы, много разных процессов. несколько разных процессов происходят одновременно и они влияют друг на друга и вызывают цепочки других процессов.
Так как нам важно создать уютный микроклимат внутри помещения как можно долгое время, то нас будет интересовать только некоторое количество связанных процессов.
Рассмотрим самые важные процессы:

1. Процесс теплопотерь - Теплопроводность. Так как мы рассматриваем только стены с утеплителем, то потеря тепла переносом массы не будем рассматривать. То есть окна, двери, вентиляция - это для отдельного поста. Здесь только про теплопроводность. Излучение тоже малозначительно, т.к. температуры не поднимаются, до состояния когда объекты начинают светиться.

2. Паропрозрачность. В доме всегда накапливается влага, просто по тому что мы дышим и выдыхаем влажный воздух. Кроме того мы потеем и опять же повышаем влажность. Кроме этого много разных домашних приборов генерят влажность - кастрюли на плите, вода из под крана, высыхающая после дождя одежда, снег принесенный домой, тает и испаряется. Практически все строительные материалы содержат влагу и испаряют ее (ну наверно кроме пенопласта). Конечно материалы также и впитывают влагу. Деревянная мебель, одежда и т.п.

3. Теплоемкость. Это простой процесс и на него мало что влияет кроме массы и собственных характеристик материала. Точнее говоря, теплоемкость это и есть характеристика материала, но процесс накапливания тепла все же есть. Да! давайте будем называть его аккумулированием тепла.

4. Усыхание материала - ну понятный вроде процесс. это когда размер детали уменьшается при высыхании.

5. Гниение - тоже вроде ясно, но стоит уточнить. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5). Гниение связано с микроорганизмами. Это они разрушают, а точнее сказать видоизменяют материал , его структуру, качество и соответственно его характеристики. Так как белков в структуре самана мало, то процесс этот нас практически не волнует. В самане может оказаться какое-то количество насекомых.

6. Плесневение - воздействие грибов (http://g.janecraft.net/griby-na-solome/). Это вообще интересный процесс.  О нем потом.

7. Замерзание воды и разрушение пропитанного этой водой материала.

Конечно там происходит куча разных других процессов, но эти самые важные.

Про первые два процесса поподробнее:

1. Процесс передачи тепла.

Он  описывается и рассчитывается довольно просто, если мы рассматриваем кусок теплоизолирующей "стенки". Это подобно расчета в электрической сети:

I = U/R 

где, I - сила тока (в нашем случае этотепловйо поток , который принято обозначать буквой Q), U это разность электрических потенциалов или электрическое напряжение (в нашем случае это разность температур внутри и снаружи от теплоизолирующей стенки), R это сопротивление (в нашем случае это термическое сопротивление материала).
Вот этот последний параметр характеризует свойства утепляющего материала, это его неотемлимые качества. Его можно еще выразить через такой параметр как коэффициент теплопроводности.
На сайте "http://теплопроводность.рф" написано следующее:
"Расчет теплопотерь определяется на основании температуры внутреннего воздуха, температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции и температуры уличного воздуха."

"Температура внутри стен меняется линейно. Угол наклона графика зависит от значения термического сопротивления материала в разных его слоях.

Усредненное значение сопротивления теплопередачи внутри здания принимаем Ri = 0,13 м2 К / Вт. ГОСТ 8.524-85 и DIN 4108

Термическое сопротивление остальных слоев Re соответствует перепаду температур между внутренней поверхностью стены и уличным воздухом. (Т поверхности стены - T за пределами здания ) dTe.

Затем по следующей формуле:

Ri / dTi = Re / dTe

находим Re:

Re = Ri * dTe / dTi

Общее тепловое сопротивление R = Re + Ri

R = Ri (1 + dTe / dTi)

И, наконец, значение теплопотерь

ТП = 1 / R".
Поясню:
здесь  ТП  это Тепловой Поток (или Q как принято в учебиках физики).
Итого:
ТП = 1/0,13(1+dTe/dTi)

Вот пример с того же сайта:
"Температура в помещении: 20 ° C 

на поверхность стены: 18 ° C
температура окружающей среды: -10 ° C

dТ = 2 ° C
DTE = 28 ° C
Ri = 0,13 м2 К / Вт

dТi = 2 ° C
dTe = 28 ° C
Ri = 0,13 м2 К / Вт
R = R (1 + dTe / dТi) = 1,95 м2 К / Вт 

ТП = 0,5 Вт / м2 K

"
Это мы получили удельный тепловой поток на 1 квадратный метр утеплителя. Для строительства этот параметр нормируется. На этом сайте приводится вот такая запись "EnEV2009* U<0,24 Вт/м2/K" - это отсылка на немецкие регламенты по энегосбережению.
У нас в стране действует СНИП-II-3-79.
Посчитать потери в соответствии с этим документом можно вот тут:
http://www.teplo61.ru/tsten.html

Конечно все просто и замечательно когда мы считаем потери через кусочек плоской стены, НО в жизни мы никогда не имеем дел со "сферическими конями в вакууме" у нас есть стены, полы, потолки, окна, которые удерживают тепло в доме . Эти все стены и потолки могут быть весьма сложной конфигурации. Потеря тепла происходит через все эти элементы одновременно и поэтому посчитать теплопотери в доме сложной конфигурации очень сложная задача. Пример расчета потерь тепла в кубе утеплителя показан в моем посте этого блога:
Теория потери тепла нашего образца

Как видите даже в кубе это очень сложно...НО! сейчас существует куча интересных и мощных программ позволяющих производить очень сложные вычисления  различных процессов в том числе и тепло потерь.

Вот несколько из них:

Elmer - полнофункциональный математический пакет, ориентированный на математическое моделирование физических процессов и расчета конструкций при помощи метода конечных элементов (МКЭ) (англ. FEM, finite elements method).

Comsol - программа для конечно-элементных расчётов сложных научно-технических задач. Пакет COMSOL Multiphysics позволяет моделировать практически все физические процессы, которые описываются частными дифференциальными уравнениями.Salome  - открытая интегрируемая платформа для численного моделирования. Представляет собой набор пре- и постпроцессинга.

Последняя из указанных бесплатна. 
Продукты марки SALOME распространяются на условиях GNU Lesser General Public License.

Итак я думаю первый процесс Теплопроводность мы рассмотрели полностью.

2. Паропроницаемость.

Теперь процесс передачи влаги. Почему этот процесс так важен? Потому что для накопление влажности в помещении плохо влияют на здоровье человека. То есть влажность тоже нормируется. Норма это 30-45 % согласно СНиП 2.04.05-91. То есть необходимо выводить влагу из помещения, но она и сама пытается выйти из помещения. Конечно можно просто взять и принудительно вытянуть всю влагу через вентиляцию, тогда нам придется хорошенько продумать как выполнить притяжную вентиляцию чтобы восстановить температуру приятную для проживания...И кроме того вытягивая весь воздух можно вытянуть все тепло...Ну а раз влага сама пытается вылезти наружу, давайте посмотрим как она это делает и попытаемся совместить полезное с выгодным.

Вот здесь весьма хорошо описан процесс диффузии влаги: Паропроницаемость ограждений
Итак получается что зимой когда мы отапливаем помещение, то парциальное давление внутри больше чем снаружи (это еще связано с тем что зимой относительная влажность воздуха на улице ниже чем летом, видимо потому что вся влага замерзла. Но это для разных регионов по разному...). Поэтому влага диффундирует в утеплитель и в любые ограждающие конструкции. Чем плотнее материал тем ниже его паропроницаемость и в нем может накапливаться какое-то количество влаги. Если материал совсем не пропускает влагу (пенопласт, полиэтилен, поликарбонат), то при определенных условиях влага начнет скапливаться на поверхности материала. Вот теперь про эти условия... они тоже важны. Так как там где скапливается влага могут происходить не совсем приятные нам вещи. Это как раз те перечисленные выше побочные процессы (гниение, плесневение и т.п.). Влага конденсируется в "точке росы". Это такая температура при которой влага начинает конденсироваться. То есть в процессе теплопередачи сквозь утеплитель стен (пола, потолка) у нас падает температура (внутри +25 на улице -30). И где то между этими точками на пути теплового потока внутри утеплителя или непосредственно на поверхности его будет конденсироваться влага. Весь этот процесс так же можно посчитать на сайте теплорасчет.рф
Ясно что температура на улице меняется день ото дня , да и в доме она не всегда стабильна, поэтому точка конденсата будет постоянно перемещаться внутри утеплителя. И чем больше времени эта точка проводит внутри утеплителя тем больше влаги там накопится. Количество накопленной влаги зависит от начальной влажности (в доме), и от времени накопления. Например в стенах бани ,где влажность всегда высокая, влага накопится очень быстро. Всем понятно что влага внутри утеплителя это зло. Так как часто утеплитель портится от влаги, там появляются не приятные запахи, прочность утеплителя теряется, теплопрводность повышается, то есть он перестает утеплять. Такое происходит например при не правильной укладке минваты в стены.
Какие основные рекомендации по улучшению положения для утеплителя? на том же "теплорасчет.рф":

"5. Идеальный вариант - это когда температура внутреннего слоя равна или стремится к температуре воздуха внутри, а температура финишного слоя на фасаде здания равна или почти равна температуре уличного воздуха. График понижения (повышения) температуры должен иметь гладкую форму т.е температура должна понижаться без скачков. Зон образования конденсата быть не должно ни при средней температуры зимы и нежелательны при пико-низких температурах.

6. Чтобы добиться эффективности близкой к идеальной, располагайте слои с увеличивающейся паропрозрачностью от внутненнего слоя к наружному."

С пунктом 5 я немного не согласен в плане "температура финишного слоя на фасаде здания равна или почти равна температуре уличного воздуха", дело в том что очень редко мы имеем такие условия когда при нормальных теплопотерях мы имеем точку росы прямо на внешней поверхности утеплителя (чаще всего там располагается паропроницаемая мембрана) или точка росы вовсе выходит за пределы утеплителя и влага конденсируется в воздухе на улице. Чаще всего, если температура внешней поверхности утеплителя равна уличной - это значит что точка росы находится в утеплителе. Поэтому чтобы уберечь утеплитель нам придется терять немного драгоценного тепла и смещать точку росы наружу от утеплителя путем повышения температуры на поверхности стен снаружи, то есть сильнее греть внутри.

Стоит отметить, что использование двух и более слоев теплоизоляторов с разными паропроницаемостями просто необходимо, что бы точка росы не оказалась внутри утеплителя!
МНОГОСЛОЙНОСТЬ!

Это важно!

А вот в пунктом 6 я вполне согласен - нам нужно стараться препятствовать проникновении влаги в утеплитель и поэтому внутри сначала располагаются более плотные материалы, которые плохо пропускают влагу. А вот следующие должны выводит ее все легче и легче, чтобы все что проникло сквозь первый слой смогло довольно быстро "выветриться". Но при этом нужно не перестараться, чтобы не стало душно в помещении. То есть нужно все сделать в меру. Как показывает история деревянные дома показали себя именно так.
Картинок в этом посте как-то мало, но тут трудно что-то по теме найти...
Вот такой процесс паропроницания, который тесно связан с процессом теплопередачи.
Да! кстати! летом процесс паропроницания начинает работать в другую сторону. То есть влага снаружи начинает проникать внутрь помещения, но обычно т.к. разность температур чаще всего бывает не в пользу такого проникновения (иногда даже летом приходится подогревать помещение, особенно ночью), то за все лето влаги в утеплитель набирается ничтожное количество и она выходит при любом удобном случае :))
Не получится не теряя значительного тепла утеплиться одним слоем и при этом сохранить утеплитель на долго. Влага будет накапливаться все больше и больше. Поэтому именно МНОГОСЛОЙНОСТЬ!
К этим двум самым важным процессам примешивается еще один простой по своей сути, но тоже важный по использованию процесс - аккумулирование тепла.

3. Аккумуляция тепла.

Тепло просто аккумулируется в любых массивных предметах. Насколько много предметы могут накапливать в себе тепла зависит от их внутренних свойств определяемых коэффициентом теплоемкости и массой объекта. Самый теплоемкий из известных материалов в обычных температурных пределах это вода. Обычная вода.
Процесс накопления просто смещает время изменения температуры предмета. То есть когда мы начинаем нагревать например емкость с водой, то она становится горячей не сразу а через какое-то время. А вот воздух у которого теплоемкость очень мала, быстро нагревается. Но стоит проветрить помещение и все тепло улетит вместе в воздухом.
Т.к. материалы которыми мы утепляемся тоже имеют определенную теплоемкость, то и они способны на какое-то время удерживать тепло внутри себя. И даже когда источник тепла прекратил работу (печка потухла) стены все еще теплые. Нужно учитывать, что если материалы достаточно легкие (что часто бывает с хорошими утеплителями), то они мало накопят тепла внутри себя.
Кроме дерева есть еще разные материалы, которые приближаются к нему по совпадению таких качеств.
Опять же дерево показало себя как оптимальный утеплитель в этом плане и тепло проводит плохо и массу имеет достаточную. Камень имеет большую массу, но хорошо проводит тепло.
Например соломенные блоки или легкий саман. Тяжелый саман (классический) все же ближе к глине и кирпичу.
Про исследование свойств легкого самана я тоже писал здесь пост.
Вот я рассказал вам про три самых важных процесса, которые происходят всегда непрерывно и всегда взаимосвязанно. Промоделировать такое поведение строения даже всего при этих трех взаимосвязанных процессах является задачей весьма сложной. Хотя я надеюсь есть умельцы которые умеют это делать.
Но есть еще и другие процессы которые зависят от этих трех и сами могу опосредованно влиять на них.

4 Усыхание. 

Это довольно простой процесс. Это происходит с древесиной и с саманом. Древесина трескается и изгибается и крутится. Саман просто съеживается можно так сказать.
Все это приводит к появлению щелей и трещин. Через трещины начинаются усиленные потери тепла.
Вывод какой? хорошо высушивать материал перед использованием, но это редко удается сделать хорошо. Как говорилось выше зимой относительная влажность воздуха ниже чем летом (а стойка ведется в основном летом). Поэтому зимой все усыхает. Сборку деревянных домов наверно можно вести зимой, а вот саман закладывается в опалубку мокрый - это возможно только летом.
Второй вывод - используйте несколько слоев утеплителя перекрывающие возможные щели от усыхания.
Вывод третий - доутепляйте после усыхания дополнительным заполняющим утеплителем.
Я для себя выбрал эковату методом сухой задувки. Она хорошо проникает в щели и трещины и закупоривает их. Кроме этого в ее составе есть бура и борная кислота. Эти элементы будут защищать от гниения и лишней влаги как саму вату так и растрескавшийся утеплитель.

5 Гниение.

Гниение может происходить если где - то в утеплителе кто-то умер... то есть там есть куча белковых соединений (может насекомые или мыши или еще какая гадость завелась, а потом умерла) и при высокой влажности эти белки начинают разлагаться гнилостными бактериями и все это сопровождается не приятными запахами, которые могут в конце концов и на здоровье повлиять... Короче плохо это .
Нужно предпринять все меры чтобы в утеплителе никто не жил и не умирал там...А если уж умер чтобы он там тихонько высох и никому не мешал бы. Есть кстати такие бактерии которые наоборот разлагают сухие трупы и по-моему это безвредно... Но этот процесс я не изучал.
Вообще конечно такой поворот событий маловероятен , но про него нужно помнить и знать.

 6. Плесневение (грибоводство). 

Ну очень похоже на гниение, однако это совсем другое.
Здесь все может начаться и без всяких трупов. Сам утеплитель (дерево, саман, бумага и пр.) являются пищей для плесени и грибов. При определенной влажности (при достаточно высокой) споры грибов, которые летают повсюду, начинают прорастать на поверхности утеплителя. Они уничтожают волокна клетчатки и материал теряет прочность, а потом и утепляющие качества. Споры некоторых грибов вредны для человека и могут вызывать заболевания легких и прочие
Дерево можно обработать от плесени и грибов специальными солевыми и прочими растворами.
С саманом все сложнее. Дело в том что на соломе содержаться споры грибов в огромном количестве они только и ждут удобного момента чтобы быстренько разложить на первоэлементы всю падшую на полях траву. Видимо там эволюция решила - так было выгодно всем. Но не нам когда мы хотим саманом утеплять дом. Ведь что такое саман? это смешанная с глиной солома. То есть мы берем и создаем все условия для развития грибка и плесени.
И если нам не удалось быстро высушить полученный саман, да еще если лето выдалось дождливым и влажным, то расцвет грибов неизбежен.
Вот так и произошло в моем случае: лето было дождливым а печки в доме не было. Не было и окон и дверей высушить дом изнутри было просто не реально. Грибы вылезли откуда только могли.


Вот эти свиные ушки и есть грибы...Наверно даже вкусные.

Черные шляпки на белых ножках упорно не хотят завядать даже после того как их купоросом обработали...

Вот эти свиные ушки меня очень расстроили...

Вот так я с ними боролся: это смесь гашеной извести с медным купоросом. После обработки грибов поубавилось, но пока были дожди и было сыро они пытались вылезти опять и только к зиме все утихло. Но на следующий год все было укрыто от дождей и грибы не  вылазили. Хотя не исключено что они вели свою подпольную скрытую деятельность и дальше.

Но с грибами не все так плохо как может показаться...

Вот например американцы научились специально разводить в опилках специальные грибы. Они выкладывали из блоков таких опилок стены и ждали когда грибы начнут развивать свою грибницу. И когда все блоки были слеплены одной большой белой липкой грибницей, то все это хозяйство подвергалось высокотемпературной обработкой специальными нагревателями. Грибок при этом погибал, но это грибница накрепко склеивала и опилки и сами блоки между собой... Вот такой хитрый строительный способ, но видимо широкого распространения он не нашел.

Короче сушите утеплители как можно скорее и всегда и будет у вас счастье!

Если примерно представить абстрактный дом с идеальной теплоизоляцией и теплоудержанием, то это будет массивный дом (деревянный, каменный или дом с каркасом внутри жилого помещения) с хорошо утепленным фундаментом или подвалом, а снаружи на него одеты несколько слоев теплоизоляторов с разной паропроницаемостью. Внутри более плотные снаружи более рыхлые. снаружи от теплоизоляторов обязательно мембрана (она препятствует проникновению влаги в виде капель снаружи, но выводит влагу в виде пара изнутри). А после мембраны фасад который защищает от ветра, снега , дождя и пыли. Но этот фасад должен иметь проветриваемые каналы, чтобы влага нигде не скапливалась под фасадом.

и соответственно должен быть выполнен отвод влаги из под фасада.

Итак представьте себе, что все эти процессы происходят всегда непрерывно и всегда взаимосвязанно. Эти процессы происходят еще до того ка вы начали стройку, просто потом у них появляются определенные условия. Один процесс неизменно влияет на другой. И корме того могут возникать неведанные ранее процессы...

Учитывая как все процессы, описанные вначале этого поста, работают одновременно, нужно разрабатывать методики утепления во время стройки. Например во время просушивать утеплитель специальными тепловыми пушками или делать присыпки из влагопоглащающих порошков таких как бура или борная кислота. Именно так я поступал, когда утеплял самый верх своего купола.

Когда есть понимание всего процесса тогда технологии рождаются сами из этого понимания!

Так же помогает изучение свойств утепляющих материалов. их сейчас довольно много, но важно понимать процессы которые в них происходят, тогда вам не смогут навешать лапшу на уши ушлые продаватели всего и вся...И Возможно вы найдете материал намного дешевле у себя под ногами, хорошо его подготовите ион будет вам служить долго и счастливо.

Удачи вам!