Сучасний енергоощадний будинок не тільки витрачає менше тепла, але і, якщо є  відповідне обладнання, забезпечує надходження енергій сонця, води, повітря, ґрунту. Для  засвоєння цих енергій огороджувальними конструкціями будинку доцільно використовувати недорогі матеріали, що вирізняються високою теплоємністю і масою (ізоляційні дереволокнисті плити, мелений газетний папір (ековату), композитні матеріали на основі глини, піску, соломи, очерету, коноплі тощо). 

Такі підходи вже загальновизнані у світі, бо, застосовуючи їх на практиці. можна отримати недороге, комфортне й екологічне житло. Фактично, нічого нового у використанні вищеперелічених матеріалів немає, просто технології їх  застосування піднялись на вищий рівень. Отже, тепло засвоюється на горищі, у стінах і під фундаментом будинку.

Розглянемо процеси накопичення тепла на прикладі добре утепленого одноповерхового будинку площею 100 м² на широті  Львова. Площа 4-кутного даху – 120 м². Стіни будинку паралельні сторонам світу. Окрім того, важливим фактором є співвідношення площі стін і фундаменту, бо за  меншої площі стін можна уникнути зайвих тепловтрат. При цьому будемо зважати на наші українські реалії (максимальні тепловтрати будинку в найхолоднішу пору року не перевищують 4 кВт·год за годину, тобто 40 Вт*год/м²). Ця цифра насправді реалістична, оскільки теплоакумулятори під фундаментною плитою є теплими підлогами, які рівномірно й ощадливо випромінюють тепло (мінімум конвекційних потоків, менша температура внутрішніх поверхонь стін).

Отже, який енергетичний потенціал горища?

Якщо дах горища площею 120 м² обшити зсередини ізоляційними деревоволокнистими плитами товщиною 10 см, то  при густині 300 кг/м³ їхня загальна маса складе 3600 кг. При питомій теплоємності 2,1 кВт·с/кг°С кількість тепла Qd, що могла б накопичуватись у плитах у діапазоні температур 25°С, не перевищує     

                                   Qd= С·M· Δt = 3600·2,100/3600·25 = 52,5 кВт·год.

Тепер до фундаментів.

У чому ж суть технологій  утеплення фундаментів і накопичення ними тепла?

У 50-х роках  минулого століття скандинавські країни впровадили й узаконили методики будівництва неглибоких утеплених морозостійких фундаментів. Далі естафету підхопили вчені США, які після всебічного обстеження таких фундаментів підтвердили їхню ефективність і доцільність використання у холодних кліматичних зонах Північної Америки. За підтримки міністерства енергетики США були розроблені й апробовані методики їх розрахунку. Як у США, так і в Європі було з’ясовано, що глибина промерзання ґрунту при утепленому фундаменті зменшується майже у два рази. Для прикладу, при глибині промерзання ґрунту 180 см (Фінляндія) глибина фундаменту обмежується до 100 см.  

Водночас у світі інтенсивно досліджують ґрунтові акумулятори тепла. Особливий інтерес викликає потенціал такого акумулятора і термін окупності інвестицій. Адже тепло треба якимось чином подати під фундамент  і зберегти до настання холодів.

Найпоширенішим способом є використання сонячних водонагрівальних чи повітряних колекторів. Правда, для будинку площею 100 м² площа колекторів вражає – до 20–25 м². Для середньостатистичного українця вартість цих колекторів унеможливлює  застосування ґрунтового акумулятора тепла. Виходом із цієї прикрої ситуації є використання даху будинку як повітряного колектора. У сонячниий день повітря надходить через проміжок між покриттям даху і теплоізоляцією, нагрівається і подається до ґрунтового теплоакумулятора, розміщеного під фундаментною плитою.  

Грунтові акумулятори тепла зазвичай облаштовуються під фундаментними плитами будинків. Фактично, вони рівномірно обігрівають будинок і виконують функцію теплих підлог. Грунтова основа акумулятора гідро- і теплоізолюється від ґрунту і фундаментних стін із метою зниження  зайвих тепловтрат. Оскільки енергетичний потенціал акумулятора обмежений, то ефективність його використання залежить від тепловтрат будинку і теплових надходжень до нього.

Отже, насправді маємо два акумулятори тепла – на горищі й під фундаментною плитою.

На які теплові надходження можна сподіватися у дощовитій Львівщині, володіючи інформацією про місячні градусо-доби і теплові надходження від Сонця?

Якщо ґрунтовий акумулятор «заряджається» у гарячому серпні, то на скільки часу може вистачити його тепла?   

Для спрощення розрахунків візьмемо за основу добре ущільнений піщаний акумулятор розміром 10 х 10 х 0,6 м³. Подальші розрахунки здійсювали на основі таких даних:

·       теплоємність піску, Вт·с/кг°С                 840

·       питома вага, кг/м³                                       1553

·       температурний діапазон,°С                           25

·       маса акумулятора, кг              60·1553= 93 180

Тоді максимальна кількість тепла, яку може накопичити тепловий акумулятор, складе

Qa = C·M·Δt= 0,84 ·25· 93 180/ 3600 = 543,55 кВт·год.

Тобто, якщо у холодну пору добові тепловтрати становлять 4·24= 96 кВт·год, то накопиченого тепла вистачить лише на шість таких діб.  При детальнішому розгляді виявилося, що  важливими також є постійні теплові надходження від Сонця впродовж осені та навіть зими. Окрім того, вище неврахований ефект глибокого прогрівання поза межами піщаного ложа – як фундаментної плити, стін і стелі всередині будинку, так і грунту поза фундаментом у серпні місяці, перед початком опалювального сезону.

При відомих градусо – добах минулого опалювального сезону (колонка 6) неважко обчислити майбутні місячні тепловтрати будинку (колонка 2). У колонку 4 занесені місячні теплові  надходження сонячної енергії на 1 м² площі даху, нахиленого під кутом 45°. Далі будемо виходити з припущення, що обидва акумулятори  засвоюють лише 10% сонячного тепла. 

Які висновки можна зробити  після отримання попередніх розрахунків?

1. З даху будинку можна «зняти» значну кількість тепла для обігрівання будинків, розташованих навіть у зонах холодного клімату.
2. Теплом горища можна обігріти стелю, а теплом фундаментної плити – підлогу будинку.
3. Попередні  розрахунки мають лише оціночний характер, оскільки не враховувались інші чинники надходження тепла до будинку. Дані, отримані з літератури, свідчать про вищу частку солярної енергії в обігріванні будинку. До того ж ми не враховували запаси енергії (543,5 + 52,5 кВт·год), накопичені акумуляторами у серпні.
4. При побудові таких акумуляторів тепла не відпадає потреба у додаткових джерелах енергії. Але, згідно з експериментальними даними, температура підлоги у зимову пору не падає нижче 10°С  навіть при вимкненому опалювальному обладнанні.   
5. На даний момент доцільним є спорудження експериментального будинку з можливістю моніторингу температурних процесів на горищі будинку і під його фундаментом.   

Юрій Дудикевич, к.т.н.

Володимир Гальчак, к.ф-м.н.