Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?
Коэффициент λ (лямбда) является, вероятно, самым важным параметром для всех изоляционных материалов. Его значение показывает, сколько тепла материал может передать через себя. То есть, значение его теплопроводности.
Чем меньше значение λ (лямбда), тем ниже проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от потери тепла. Это означает, что через материал с более высокой теплопроводностью при одинаковых условиях пройдет больше тепла.
Как рассчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область с более низкой температурой. Для тела в форме теплопроводного кубоида при установившихся условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества и пропорционально площади поперечного сечения тела, разности температур и времени теплопередачи.
Таким образом, формула расчета будет выглядеть следующим образом:
Q = λ (S ΔTt / d)
следовательно, лямбда:
λ = (Q / t) — (d / S ΔT)
Где:
- λ (лямбда) — коэффициент теплопередачи;
- ΔQ — количество тепла, проходящего через тело
- t — время;
- L — длина тела;
- S — площадь поперечного сечения тела;
- ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
- d — толщина перегородки.
Единицей теплопроводности в СИ является [Вт/(м — К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу площади материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 кельвин. Все эти показатели измеряются в специальных строительных лабораториях.
Зачем нужна теплоизоляция?
Важность теплоизоляции заключается в следующем:
- Для поддержания тепла в здании зимой и прохлады летом.
Потери тепла через стены типичного многоэтажного здания составляют 30-40%. Для снижения теплопотерь необходимы специальные изоляционные материалы. Использование электрических обогревателей в зимний период способствует дополнительным расходам на электроэнергию. Экономически выгоднее компенсировать эти расходы за счет использования высококачественных изоляционных материалов, которые сохраняют тепло в здании зимой и прохладу летом. Затраты на охлаждение помещения с помощью кондиционера также будут сведены к минимуму.
- Повышение долговечности строительных конструкций.
В случае промышленных зданий с металлическим каркасом изоляция помогает защитить металлическую поверхность от коррозии, которая является самым вредным недостатком для этого типа конструкций. А срок службы кирпичного здания определяется количеством циклов замораживания-оттаивания. Воздействие этих циклов принимает на себя теплоизоляция, поскольку точка росы находится в теплоизоляции, а не в материале стены.
Такая изоляция может многократно увеличить срок службы здания.
- Акустическая изоляция.
Защита от повышения уровня шума может быть достигнута путем использования звукопоглощающих материалов (толстые матрасы, звукоотражающие стеновые панели).
- Увеличение полезной площади зданий.
Использование системы изоляции позволяет уменьшить толщину наружных стен при увеличении внутренней площади здания.
Как правильно выбрать утеплитель?
При выборе теплоизоляции следует обратить внимание на: доступность по цене, область применения, мнения экспертов и технические характеристики, которые являются наиболее важными критериями
Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье
В данном тепловом режиме плотность потока теплоносителя прямо пропорциональна вектору максимального повышения температуры, параметры которого изменяются от области к области и по модулю с одинаковой скоростью повышения температуры в направлении вектора:
q → = — ϰ x grad x (T), где:
- q → — это направление плотности теплопередающего объекта или величина теплового потока, проходящего в данную единицу времени через данную площадь, перпендикулярно всем осям;
- ϰ — удельный коэффициент теплопроводности материала;
- T — температура материала.
Теплопередача в неравновесной термодинамической системе
Знак «-» в формуле перед «ϰ» означает, что тепло движется в направлении, противоположном вектору grad x (T)/ — в направлении уменьшения температуры объекта. Эта формула отражает закон Фурье. В интегральном выражении коэффициент теплопередачи в соответствии с законом Фурье будет выглядеть как формула
- P = — ϰ x S x ΔT / l, выраженное в (W/(m-K) x (m2-K) / m = W/(m-K) x (m-K) = W), где:
- P — общая мощность теплопотерь;
- S — площадь поперечного сечения объекта;
- ΔT — разность температур на стыках сторон аппарата;
- l — это расстояние между стыками сторон объекта — длина фигуры.
Зависимость коэффициента теплопередачи от электропроводности материалов
Электропроводность и коэффициент теплопередачи
Фактически, коэффициент теплопроводности металлов «ϰ» связан с их удельной электропроводностью «σ» в соответствии с законом Видемана-Франца, согласно которому теплопроводность металлов зависит от их удельной электропроводности прямо пропорционально температуре:
Κ / σ = π2 / 3 x (K / e)2 x T, где:
- K — постоянный коэффициент Больцмана, который устанавливает связь между тепловой энергией тела и его температурой;
- e — заряд электрона;
- T — термодинамическая температура объекта.
Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, теплопроводность стен, пола и крыши должна иметь как минимум определенное значение, которое рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщину материалов берут так, чтобы общее количество было не меньше (а лучше — хотя бы чуть больше) рекомендованного для вашего региона.
Теплопроводность современных строительных материалов на ограждающей конструкции здания
При выборе материалов следует учитывать, что некоторые (не все) из них гораздо лучше проводят тепло во влажных условиях. Если такая ситуация может возникнуть при эксплуатации в течение длительного периода времени, в расчетах используется теплопроводность для этого условия. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для теплоизоляции, приведены в таблице ниже.
| В сухом состоянии | При нормальной влажности воздуха | При высокой влажности воздуха | |
| Войлочная шерсть | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
| Минеральная вата 25-50 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,,045 |
| Каменная вата 40-60 кг/м3 | 0,035 | 0,041 | 0,044 |
| Минеральная вата 80-125 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,045 |
| Минеральная вата 140-175 кг/м3 | 0,037 | 0,043 | 0,0456 |
| Минеральная вата 180 кг/м3 | 0,038 | 0,045 | 0,048 |
| Стекловата 15 кг/м3 | 0,046 | 0,049 | 0,055 |
| Стекловата 17 кг/м3 | 0,044 | 0,047 | 0,053 |
| Стекловата 20 кг/м3 | 0,04 | 0,043 | 0,048 |
| Стекловата 30 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,046 |
| Стекловата 35 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,046 |
| Стекловата 45 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,045 |
| Стекловата 60 кг/м3 | 0,038 | 0,040 | 0,045 |
| Стекловата 75 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,047 |
| Стекловата 85 кг/м3 | 0,044 | 0,046 | 0,050 |
| Полистирол (пенополистирол, EPS) | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
| Экструдированный пенополистирол (EPS, XPS) | 0,029 | 0,030 | 0,031 |
| Пенобетон, газобетон с цементным раствором, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Газобетон на цементной связке, 400 кг/м3 | 0,11 | 0,14 | 0,15 |
| Ячеистый бетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Ячеистый бетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 | 0,13 | 0,22 | 0,28 |
| Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3 | 0,043-0,06 | ||
| Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3 | 0,06-0,063 | ||
| Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3 | 0,066-0,073 | ||
| Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3 | 0,085-0,1 | ||
| Пеноблок, 100 — 120 кг/м3 | 0,043-0,045 | ||
| Пеноблок 121 — 170 кг/м3 | 0,05-0,062 | ||
| Пеноблок 171 — 220 кг/м3 | 0,057-0,063 | ||
| Пеноблок 221 — 270 кг/м3 | 0,073 | ||
| Эковата | 0,037-0,042 | ||
| Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 | 0,029 | 0,031 | 0,05 |
| Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 | 0,035 | 0,036 | 0,041 |
| Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 | 0,041 | 0,042 | 0,04 |
| Сшитый пенополиэтилен | 0,031-0,038 | ||
| Вакуум | 0 | ||
| Воздух +27°C. 1 атм | 0,026 | ||
| Ксенон | 0,0057 | ||
| Аргон | 0,0177 | ||
| Аэрогель (аэрогели из осины) | 0,014-0,021 | ||
| Шлаковая вата | 0,05 | ||
| Вермикулит | 0,064-0,074 | ||
| Резиновая пена | 0,033 | ||
| Пробковые плиты 220 кг/м3 | 0,035 | ||
| Пробковые плиты 260 кг/м3 | 0,05 | ||
| Базальтовые маты, холст | 0,03-0,04 | ||
| Конопля | 0,05 | ||
| Перлит, 200 кг/м3 | 0,05 | ||
| Перлит вспученный, 100 кг/м3 | 0,06 | ||
| Льняные изоляционные плиты, 250 кг/м3 | 0,054 | ||
| Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 | 0,052-0,145 | ||
| Гранулированная пробка, 45 кг/м3 | 0,038 | ||
| Минеральная пробка на битумной основе, 270-350 кг/м3 | 0,076-0,096 | ||
| Пробковый пол, 540 кг/м3 | 0,078 | ||
| Техническая пробка, 50 кг/м3 | 0,037 |
Часть информации взята из стандартов, определяющих свойства определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (Приложение 2)). Те материалы, которые не рекомендованы в стандартах, можно найти на сайтах производителей. Поскольку стандартов не существует, они могут значительно отличаться у разных производителей, поэтому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого приобретаемого материала.
Таблица теплопроводности строительных материалов
Стены, потолки, полы могут быть выполнены из различных материалов, но так уж повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с каменной кладкой. Все знают этот материал, с ним легче возникают ассоциации. Наиболее популярными являются диаграммы, показывающие разницу между различными материалами. Одна из таких фотографий приведена в предыдущем абзаце, другая — сравнение кирпичной и бревенчатой стен — ниже. Поэтому теплоизоляционные материалы выбирают для стен из кирпича или другого материала с высокой теплопроводностью. Чтобы помочь вам в оценке, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.
Можно сравнивать широкий спектр материалов
| после высыхания | при нормальной влажности | при высокой влажности воздуха | |
| CPR (цементно-песчаный раствор) | 0,58 | 0,76 | 0,93 |
| Известково-песчаный раствор | 0,47 | 0,7 | 0,81 |
| Гипсовая штукатурка | 0,25 | ||
| Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3 | 0,21 | 0,33 | 0,37 |
| Ячеистый бетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3 | 0,29 | 0,38 | 0,43 |
| Пенобетон, газобетон с известью, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Бетон вспененный, газобетон на извести, 800 кг/м3 | 0,23 | 0,39 | 0,45 |
| Ячеистый бетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3 | 0,31 | 0,48 | 0,55 |
| Оконное стекло | 0,76 | ||
| Арболит | 0,07-0,17 | ||
| Бетон с натуральным камнем, 2400 кг/м3 | 1,51 | ||
| Легкий бетон с натуральной пемзой, 500-1200 кг/м3 | 0,15-0,44 | ||
| Бетон с гранулированным шлаком, 1200-1800 кг/м3 | 0,35-0,58 | ||
| Бетон с котельным шлаком, 1400 кг/м3 | 0,56 | ||
| Бетон со щебнем, 2200-2500 кг/м3 | 0,9-1,5 | ||
| Бетон с топливным шлаком, 1000-1800 кг/м3 | 0,3-0,7 | ||
| Аэрированный керамический блок | 0,2 | ||
| Вермикулитовый бетон, 300-800 кг/м3 | 0,08-0,21 | ||
| Глинобетон, 500 кг/м3 | 0,14 | ||
| Глинобетон, 600 кг/м3 | 0,16 | ||
| Глинобетон, 800 кг/м3 | 0,21 | ||
| Глинобетон, 1000 кг/м3 | 0,27 | ||
| Глинобетон, 1200 кг/м3 | 0,36 | ||
| Глинобетон, 1400 кг/м3 | 0,47 | ||
| Глинобетон, 1600 кг/м3 | 0,58 | ||
| Глинобетон, 1800 кг/м3 | 0,66 | ||
| Глина на керамзитовом кирпиче | 0,56 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из керамического пустотелого кирпича на CVD, 1000 кг/м3) | 0,35 | 0,47 | 0,52 |
| Кладка из глиняных блоков (1 300 кг/м3) | 0,41 | 0,52 | 0,58 |
| Кирпичная кладка (1 400 кг/м3) | 0,47 | 0,58 | 0,64 |
| Кладочные работы из силикатного кирпича на CVD, 1000 кг/м3) | 0,7 | 0,76 | 0,87 |
| Кладочные работы из силикатного кирпича на КПР, 11 пустот | 0,64 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из известкового песчаного кирпича на КПР, 14 пустот | 0,52 | 0,64 | 0,76 |
| Известняк 1400 кг/м3 | 0,49 | 0,56 | 0,58 |
| Известняк 1+600 кг/м3 | 0,58 | 0,73 | 0,81 |
| Известняк 1800 кг/м3 | 0,7 | 0,93 | 1,05 |
| Известняк 2000 кг/м3 | 0,93 | 1,16 | 1,28 |
| Строительный песок 1600 кг/м3 | 0,35 | ||
| Гранит | 3,49 | ||
| Мрамор | 2,91 | ||
| Серамзит, гравий, 250 кг/м3 | 0,1 | 0,11 | 0,12 |
| Глина, гравий, 300 кг/м3 | 0,108 | 0,12 | 0,13 |
| Керамзит, гравий, 350 кг/м3 | 0,115-0,12 | 0,125 | 0,14 |
| Керамзит, гравий, 400 кг/м3 | 0,12 | 0,13 | 0,145 |
| Керамзит, гравий, 450 кг/м3 | 0,13 | 0,14 | 0,155 |
| Керамзит, гравий, 500 кг/м3 | 0,14 | 0,15 | 0,165 |
| Керамзит, гравий, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,17 | 0,19 |
| Керамзит, гравий, 800 кг/м3 | 0,18 | ||
| Гипсокартонные листы, 1100 кг/м3 | 0,35 | 0,50 | 0,56 |
| Гипсовые блоки, 1350 кг/м3 | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
| Глина, 1600-2900 кг/м3 | 0,7-0,9 | ||
| Шамот, 1800 кг/м3 | 1,4 | ||
| Керамзит, 200-800 кг/м3 | 0,1-0,18 | ||
| Керамзит на кварцевом песке с пористостью, 800-1200 кг/м3 | 0,23-0,41 | ||
| Глинобетон, 500-1800 кг/м3 | 0,16-0,66 | ||
| Глинобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 | 0,22-0,28 | ||
| Клинкерный кирпич, 1800-2000 кг/м3 | 0,8-0,16 | ||
| Глиняный лицевой кирпич, 1800 кг/м3 | 0,93 | ||
| Кирпич средней плотности, 2000 кг/м3 | 1,35 | ||
| Гипсокартон, 800 кг/м3 | 0,15 | 0,19 | 0,21 |
| Гипсокартон, 1050 кг/м3 | 0,15 | 0,34 | 0,36 |
| Клееная фанера | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
| ДВП, ДСП, 200 кг/м3 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
| ДВП, ДСП, 400 кг/м3 | 0,08 | 0,11 | 0,13 |
| ДВП, ДСП, 600 кг/м3 | 0,11 | 0,13 | 0,16 |
| ДВП, ДСП, 800 кг/м3 | 0,13 | 0,19 | 0,23 |
| ДВП, ДСП, 1000 кг/м3 | 0,15 | 0,23 | 0,29 |
| ПВХ линолеум на изоляционной основе, 1600 кг/м3 | 0,33 | ||
| Изоляционный линолеум из ПВХ, 1800 кг/м3 | 0,38 | ||
| Линолеум ПВХ с тканевой подложкой, 1400 кг/м3 | 0,2 | 0,29 | 0,29 |
| Линолеум ПВХ с тканевой подложкой, 1600 кг/м3 | 0,29 | 0,35 | 0,35 |
| Тканевый линолеум из ПВХ, 1800 кг/м3 | 0,35 | ||
| Плоские асбестоцементные листы, 1600-1800 кг/м3 | 0,23-0,35 | ||
| Ковролин, 630 кг/м3 | 0,2 | ||
| Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 | 0,16 | ||
| Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 | 0,075-0,085 | ||
| Ракушечник, 1000-1800 кг/м3 | 0,27-0,63 | ||
| Стекловолокно, 1800 кг/м3 | 0,23 | ||
| Бетонные плиты, 2100 кг/м3 | 1,1 | ||
| Керамическая плитка, 1900 кг/м3 | 0,85 | ||
| ПВХ черепица, 2000 кг/м3 | 0,85 | ||
| Известковая штукатурка, 1600 кг/м3 | 0,7 | ||
| Цементно-песчаная штукатурка, 1800 кг/м3 | 1,2 |
Дерево — один из строительных материалов с относительно низкой теплопроводностью. В таблице приведены ориентировочные значения для различных видов. При покупке обращайте внимание на плотность и коэффициент теплопроводности. Не все из них указаны в нормативных документах.
| В сухом состоянии | При нормальной влажности | При высокой влажности | |
| Сосна, ель в поперечном сечении | 0,09 | 0,14 | 0,18 |
| Сосна, ель по длине | 0,18 | 0,29 | 0,35 |
| Дуб вдоль | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
| Дуб через волокно | 0,10 | 0,18 | 0,23 |
| Пробковое дерево | 0,035 | ||
| Береза | 0,15 | ||
| Кедр | 0,095 | ||
| Натуральный каучук | 0,18 | ||
| Клен | 0,19 | ||
| Известь (содержание влаги 15%) | 0,15 | ||
| Лиственница | 0,13 | ||
| Опилки | 0,07-0,093 | ||
| Кипы | 0,05 | ||
| Дубовый паркет | 0,42 | ||
| Паркет | 0,23 | ||
| Паркетная доска | 0,17 | ||
| Пихта | 0,1-0,26 | ||
| Тополь | 0,17 |
Металлы очень хорошо проводят тепло. Они часто выступают в качестве мостика холода в конструкциях. И это также необходимо учитывать и исключить прямой контакт, используя изолирующие прокладки и распорки, которые называются терморазрывателями. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.
| Бронза | 22-105 | Алюминий | 202-236 | |
| Медь | 282-390 | Латунь | 97-111 | |
| Серебро | 429 | Железо | 92 | |
| Олово | 67 | Сталь | 47 | |
| Золото | 318 |
Понятие теплопроводности
Теплопроводность — это физическое свойство материала, которое приводит к переносу тепловой энергии от самой горячей части тела к более холодной. Значение индекса теплопроводности показывает, в какой степени теряется тепло в жилом помещении. Это зависит от следующих факторов:
- Плотность объекта: увеличивается по мере увеличения плотности;
- Структура: например, древесина с поперечными волокнами имеет более высокую термостойкость, чем древесина с продольными волокнами
- Чем выше значение, тем ниже средняя плотность;
- Близость к порам и пустотам: материалы с сообщающимися порами имеют более высокую теплопроводность, материалы с закрытыми мелкими порами — более низкую теплопроводность
- Чем выше давление пара, тем ниже коэффициент теплопередачи;
- Температура: теплопередача уменьшается при повышении температуры;
- Давление: скорость увеличивается при увеличении давления.
Количественно оценить способность объектов передавать тепловую энергию можно с помощью коэффициента теплопроводности.
Очень важно правильно подобрать строительные материалы, теплоизоляцию, чтобы получить наивысшее сопротивление теплопередаче. Неправильные расчеты или нерациональное управление могут привести к ухудшению микроклимата в помещении, сырому зданию, влажным стенам, душным комнатам.
И, самое главное, высокие расходы на отопление.
Для сравнения см. таблицу 1 ниже.
Таблица 1.
| Материалы и вещества | алюминий | сталь | нержавеющая сталь | бетон | воздух | вода | CHIPBOARD | бумага | картон | резина | полиэтилен | стекло |
| Теплопроводность | 221 | 58 | 17,5 | 1,5 | 0,02 | 0,6 | 0,15 | 0,17 | 0,18 | 0,04 | 0,3 | 0,7 |
Самые высокие значения — для металлов, самые низкие — для изоляционных объектов.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Каков коэффициент теплопроводности воздуха, если его давление равно , температура ? Дайте диаметр частицы как . Постройте график зависимости коэффициента теплопередачи от температуры газа. |
| Решение | В качестве основы для решения задачи мы будем использовать формулу для расчета теплопроводности газа:
Средний свободный путь молекулы может быть найден с помощью известных макропараметров, характеризующих газ (p, V, T) как : Средняя скорость теплового движения молекул принимается равной: Плотность газа будет найдена с помощью уравнения Менделеева-Клайперона: зная, что Используя уравнения (1.4) и (1.5), получаем Теплоемкость газа () при постоянном объеме равна: где считаем, что число степеней свободы молекулы воздуха равно 5. Используя выражения (1.2), (1.3), (1.6) и (1.7) и подставляя их в уравнение (1.1), получаем: (1.1): Получим функцию зависимости для коэффициента теплопередачи для газа в виде: Построим его на графике (рис. 1).
Рис. 1 |
| Ответить |
ПРИМЕР 2
| Задание | Каков будет коэффициент диффузии двухатомного газа (D), если известны коэффициент теплопроводности (), его объем V, N — число молекул газа? |
| Решение | Воспользуемся выражением для коэффициента теплопередачи из кинетической теории:
Коэффициент диффузии имеет выражение: Из уравнений (2.1) и (2.2) видно, что Теплоемкость газа в изохорном процессе равна Найдем плотность газа, зная, что Принимая во внимание уравнения (2.4) и (2.5), окончательно получаем для коэффициента диффузии Где — постоянная Больцмана (). |
| Ответ. |
Основные характеристики утеплителей
Для начала представим характеристики наиболее популярных теплоизоляционных материалов, на которые в первую очередь следует обратить внимание при выборе. Сравнение теплопроводности между изоляторами можно проводить только на основе предполагаемого использования материалов и условий в помещении (влажность, открытый огонь и т.д.). Ниже мы расположим основные показатели теплопроводности в порядке их важности
Ниже мы расположим основные характеристики теплоизоляционных материалов в порядке их важности.
Сравнение строительных материалов.
Теплопроводность. Чем меньше этот параметр, тем меньший слой изоляции требуется и тем меньше затраты на изоляцию.
Водопроницаемость. Более низкая паропроницаемость материала снижает негативное воздействие на изоляцию во время эксплуатации.
Пожарная безопасность. Теплоизоляция не должна гореть и выделять токсичные газы, особенно при изоляции котла или дымохода.
Долговечность. Чем больше срок службы, тем дешевле он обойдется вам в процессе эксплуатации, поскольку не будет требовать частой замены.
Экологичность. Материал должен быть безопасным для людей и окружающей среды.
Необходимость расчетов
Почему необходимо проводить эти расчеты, и имеют ли они какое-либо практическое применение? Давайте рассмотрим детали
Оценка эффективности термоизоляции
В разных климатических регионах России разные температурные условия, поэтому для каждого региона существуют свои нормативные значения сопротивления тепловому потоку. Эти расчеты проводятся для всех компонентов здания, которые контактируют с окружающей средой. Если термическое сопротивление здания находится в пределах нормы, то нет необходимости беспокоиться о теплоизоляции.
Если конструкция не теплоизолирована, необходимо выбрать подходящий теплоизоляционный материал с соответствующими тепловыми свойствами.
Тепловые потери
Потери тепла в доме
Другой важной задачей является прогнозирование теплопотерь, что необходимо для правильного планирования системы отопления и отличной теплоизоляции. Такие расчеты могут быть использованы при выборе оптимальной модели котла, необходимого количества радиаторов и их правильного расположения.
Чтобы определить потери тепла через любую конструкцию, необходимо знать сопротивление, которое рассчитывается с помощью разницы температур и количества тепла, теряемого на квадратный метр оболочки здания. Если мы знаем площадь поверхности конструкции и ее термическое сопротивление, а также для каких климатических условий проводились расчеты, мы можем точно определить теплопотери. Существует хороший калькулятор теплопотерь для домов (он даже может рассчитать, сколько денег мы потратим на отопление, приблизительно, конечно).
Такие расчеты в здании проводятся для всех перегородок, взаимодействующих с потоками холодного воздуха, а затем суммируются для определения общих теплопотерь. На основе полученного значения проектируется система отопления, которая должна полностью компенсировать эти потери. Если теплопотери слишком велики, это повлечет за собой дополнительные финансовые затраты, которые не каждый может себе позволить. В этом случае следует подумать об улучшении системы теплоизоляции.
Отдельно следует сказать об окнах, для которых сопротивление теплопередаче определяется нормативными документами. Не обязательно производить расчеты самостоятельно. Существуют готовые таблицы со значениями сопротивления для всех типов окон и балконных дверей.
Потери тепла через окна рассчитываются на основе площади поверхности и разницы температур между двумя сторонами конструкции.
Приведенные выше расчеты подходят для новичков, делающих первые шаги в проектировании энергоэффективных домов. Для профессионалов расчеты сложнее и учитывают множество дополнительных поправочных коэффициентов — на инсоляцию, поглощение света, солнечное отражение, неоднородность структуры и т.д.
Что такое КТП строительного материала?
Теоретически, а также практически, строительные материалы обычно образуют две поверхности — внешнюю и внутреннюю. С точки зрения физики, теплая область всегда стремится к холодной.
В случае со строительным материалом тепло будет стремиться перейти от одной поверхности (более теплой) к другой (менее теплой). Это, по сути, способность материала по отношению к этому переходу и называется — коэффициент теплопроводности или сокращенно КТП.
Рисунок, показывающий эффект теплопроводности: 1 — тепловая энергия; 2 — коэффициент теплопроводности; 3 — температура первой поверхности; 4 — температура второй поверхности; 5 — толщина строительного материала.
Для определения характеристик KTP обычно берут экспериментальный образец размером 100 x 100 см и подвергают термическому воздействию, учитывая разницу температур в 1 градус между двумя поверхностями. Время экспозиции составляет 1 час.
Соответственно, теплопроводность измеряется в ваттах на метр на градус (Вт/м°C). Этот коэффициент обозначается греческим символом λ.
По умолчанию теплопроводность различных строительных материалов менее 0,175 Вт/м°C классифицирует их как изоляционные материалы.
Современная промышленность освоила производство строительных материалов с теплопроводностью менее 0,05 Вт/м°C. С помощью этих продуктов можно достичь явного экономического эффекта в плане потребления энергии.
Влияние факторов на уровень теплопроводности
Каждый строительный материал имеет определенную структуру и физическое состояние.
Это связано с:
- кристаллический размер структуры;
- фазовое состояние материала;
- степень кристаллизации;
- анизотропия теплопроводности кристаллов;
- объем пористости и структуры;
- направление теплового потока.
Все это — факторы влияния. Химический состав и примеси также оказывают определенное влияние на уровень SCC. Было показано, что количество примесей оказывает особенно выраженное влияние на теплопроводность кристаллических компонентов.
Изоляционные строительные материалы — это класс продуктов для строительной промышленности, которые предназначены для того, чтобы иметь свойства ССС, близкие к их оптимальным свойствам. Однако чрезвычайно трудно добиться превосходной теплопроводности при сохранении других свойств
В свою очередь, условия эксплуатации строительного материала — температура, давление, уровень влажности и т.д. — влияют на теплопроводность строительного материала.
Стройматериалы с минимальным КТП
Исследования показывают, что сухой воздух обладает самой низкой теплопроводностью (приблизительно 0,023 Вт/м°C).
Что касается использования сухого воздуха в структуре строительного материала, необходима конфигурация, в которой сухой воздух остается внутри многочисленных закрытых пространств небольшого объема. Структурно такая конфигурация имеет вид многочисленных пор внутри структуры.
Отсюда следует логический вывод: строительный материал, внутренняя структура которого представляет собой пористое образование, должен иметь низкий уровень SCC.
В зависимости от максимально допустимой пористости материала, значение теплопроводности близко к значению КТП сухого воздуха.
Созданию строительного материала с минимальной теплопроводностью способствует пористая структура. Чем больше пор разного размера содержится в структуре материала, тем лучше достигается КТП.
В современном производстве для достижения пористости в строительном материале используется несколько методов.
В частности, используются следующие техники:
- пенообразование;;
- газификация;
- смешивание воды;;;;;;;;;;
- вздутие живота;
- введение добавок;
- образование волокнистых каркасов.
Примечание: коэффициент теплопередачи напрямую связан с такими свойствами, как плотность, теплоемкость, теплопроводность.
Значение теплопроводности можно рассчитать по формуле:
λ = Q / S *(T1-T2)*t,
Где:
- Q — количество тепла;
- S — толщина материала;
- T1, T2 — температура с обеих сторон материала;
- t — время.
Среднее значение плотности и теплопроводности обратно пропорционально значению пористости. Поэтому зависимость теплопроводности от плотности структуры строительного материала может быть рассчитана следующим образом:
λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d2 — 0,16,
Где: d — значение плотности. Это формула В.П. Некрасова, показывающая влияние плотности данного материала на величину его КТП.
Влияние влаги на теплопроводность стройматериала
Судя по примерам строительных материалов, используемых на практике, вновь было установлено, что влага оказывает негативное влияние на КТП строительного материала. Было отмечено, что чем больше влаги наносится на строительный материал, тем выше становится значение КУ.
Для защиты строительных материалов от воздействия влаги используются различные методы. Это действие полностью оправдано из-за повышенного коэффициента для влажного строительного материала.
Причина этого проста. Влага влияет на структуру строительного материала, увлажняя воздух в порах и частично замещая воздушную среду.
Учитывая, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/м°C, становится понятным значительное увеличение KPI материала.
Важно также отметить более негативный эффект, когда вода, попадающая в пористую структуру, дополнительно замораживается, т.е. превращается в лед.
Поэтому нетрудно рассчитать еще большее увеличение теплопроводности, учитывая КПЭ льда, который составляет 2,3 Вт/м°C. Это увеличение примерно в четыре раза превышает теплопроводность воды.
Одной из причин отказа от зимнего способа строительства в пользу летнего является фактор возможного замерзания некоторых строительных материалов и последующего увеличения теплопроводности.
Поэтому становятся понятными строительные нормы по защите изоляционных строительных материалов от влаги. В конце концов, теплопроводность увеличивается прямо пропорционально количеству влаги.
Не менее важный момент наблюдается и в обратном направлении, когда структура строительного материала подвергается значительному нагреву. Слишком высокая температура также увеличивает теплопроводность.
Это связано с увеличением кинематической энергии молекул, составляющих структурную основу строительного материала.
Однако существует класс материалов, структура которых, наоборот, приобретает лучшие свойства теплопроводности при сильном нагреве. Одним из таких материалов является металл.
В то время как при сильном нагреве большинство обычных строительных материалов изменяют свою теплопроводность в сторону увеличения, сильный нагрев металла имеет обратный эффект — теплопроводность металла уменьшается.
Методы определения коэффициента
В этой области используются различные методы, но фактически все методы измерения объединяются в две группы методов:
- Стационарный режим измерения.
- Нестационарный режим измерения.
Метод установившегося состояния предполагает работу с параметрами, которые остаются постоянными во времени или изменяются незначительно. Практическое применение показывает, что эта методика может стать основой для получения более точных результатов КТП.
Измерения теплопроводности можно проводить в широком диапазоне температур от 20°C до 700°C с использованием метода установившегося режима. В то же время, однако, стационарная техника считается трудоемкой и сложной, требующей длительного времени на подготовку.
Пример прибора, предназначенного для измерения теплопроводности. Это одна из современных цифровых разработок, которая дает быстрые и точные результаты
Второй, нестационарный, метод измерения представляется более простым и требует 10-30 минут для выполнения задания. Однако в этом случае температурный диапазон существенно ограничен. Тем не менее, эта техника нашла широкое применение в условиях производственного сектора.
Сравнение утеплителей по теплопроводности
Какие характеристики важны при выборе изоляции? На что обратить внимание и что спросить у продавца? Только ли коэффициент теплопроводности является решающим фактором при выборе изоляции, или есть и другие параметры, которые необходимо принимать во внимание? И много подобных вопросов возникает в голове строителя, когда дело доходит до выбора теплоизоляции. В этом обзоре рассмотрим наиболее популярные виды изоляции.
Пенопласт (пенополистирол)
В настоящее время пенополистирол является самым популярным утеплителем, благодаря простоте монтажа и низкой цене. Он производится путем вспенивания полистирола, обладает низкой теплопроводностью, легко режется и прост в монтаже. Однако этот материал хрупок и пожароопасен, а сжигание полистирола приводит к вредным токсичным выбросам. Пенополистирол лучше всего использовать в нежилых помещениях.
Экструдированный пенополистирол
Экструдированный полистирол не подвержен воздействию влаги и гниению, это очень прочный и простой в монтаже утеплитель. Плиты Технопласт обладают высокой прочностью на сжатие и стойкостью, не разлагаются. Благодаря своим техническим свойствам Техноплекс используется для изоляции полов и фундаментов зданий. Экструдированный пенополистирол долговечен и прост в использовании
Базальтовая (минеральная) вата
Эта минеральная вата производится из горной породы путем ее плавления и раздувания для получения волокнистой структуры. Базальтовая вата Rockwool Rocklight выдерживает высокие температуры, не горит и не замерзает со временем. Материал является экологически чистым и обладает хорошей акустической и тепловой изоляцией. Производители рекомендуют использовать каменную вату для утепления чердаков и других жилых помещений.
Стекловолокно (стекловата)
У многих людей стекловата ассоциируется с советскими материалами, но современные материалы на основе стекловаты не вызывают раздражения кожи. Общим недостатком минеральной и стеклянной ваты является низкая водостойкость, что требует надежной паро- и влагоизоляции. Материал не рекомендуется использовать во влажных помещениях.
Вспененный полиэтилен
Эта рулонная изоляция имеет пористую структуру и различную толщину, часто изготавливается с дополнительным слоем пленки для придания отражающего эффекта. Изолон и вспененный полиэтилен в 10 раз тоньше традиционных изоляторов, но сохраняет до 97% тепла. Материал непроницаем для влаги, обладает низкой теплопроводностью благодаря своей пористой структуре и не выделяет вредных веществ.
Напыляемая теплоизоляция
Напыляемая изоляция включает ППУ (пенополиуретан) и Экотермикс. К основным недостаткам этих изоляторов относится необходимость специального оборудования для их применения. В этом случае напыляемая теплоизоляция образует сплошную, непрерывную пленку на конструкции без тепловых мостиков, и конструкция будет защищена от влаги, так как ППУ является влагостойким материалом.
Теплотехнический расчет стен из различных материалов
При таком количестве различных материалов для несущих стен иногда трудно сделать выбор.
При сравнении различных вариантов одним из важных критериев, на который следует обратить внимание, является «теплота» материала. Способность материала удерживать тепло на открытом воздухе влияет на комфорт в комнатах дома и расходы на отопление. Второй пункт приобретает особое значение, если к дому не подведен газ.
Второе становится особенно важным при отсутствии газоснабжения дома.
Способность материала препятствовать утечке тепла влияет на комфорт в комнатах дома и расходы на отопление. Второй вопрос особенно важен, если дом не подключен к газоснабжению.
Теплотехнические характеристики строительных конструкций характеризуются таким параметром, как сопротивление теплопередаче (Ro, м²-°C/Вт).
В соответствии с действующими стандартами (СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.
Пересмотренная редакция СНиП 23-02-2003), для строительства зданий в Самарской области расчетное значение сопротивления теплопередаче для наружных стен составляет Ro.norm = 3,19 м²-°C/Вт. Однако при условии, что расчетное удельное теплопотребление здания ниже нормы, допускается снижение сопротивления теплопередаче, но не менее допустимого значения Ro.tr = 0,63-Ro.norm = 2,01 м²-°C/Вт.
В зависимости от используемого материала для достижения нормативных значений необходимо выбрать определенную толщину однослойной стены или многослойной конструкции стены. Ниже приведены расчеты сопротивления теплопередаче наиболее распространенных вариантов конструкции наружных стен.
Расчет необходимой толщины однослойной стены
В следующей таблице приведена толщина однослойной наружной стены дома, отвечающей требованиям стандартов теплоизоляции.
Расчет сопротивления теплопередачи стены
Ниже приведены значения теплопроводности наиболее распространенных типов наружных стен из газобетона, керамзитобетона, керамзитоблоков, кирпича, с отделкой или без отделки из облицовочного кирпича. Цветная полоса указывает на сравнение между вариантами. Зеленая полоса означает, что стена соответствует тепловым требованиям, желтая — что стена соответствует приемлемым требованиям, красная — что стена не соответствует требованиям.
Стена из газобетонного блока
| 1 | Воздушный кирпич D600 (400 мм) | 2,89 Вт/м °C |
| 2 | Газобетонный блок D600 (300 мм) + изоляция (100 мм) | 4,59 Вт/м °C |
| 3 | Газобетонный блок D600 (400 мм) + изоляция (100 мм) | 5,26 Вт/м °C |
| 4 | Газобетонный блок D600 (300 мм) + воздушный зазор 30 мм + облицовочный кирпич (120 мм) | 2,20 Вт/м°C |
| 5 | Газобетонный блок D600 (400 мм) + воздушный зазор 30 мм + лицевой кирпич (120 мм) | 2,88 Вт/м°C |
Стена из керамзитобетонного блока
| 1 | Керамзитобетонный блок (400 мм) + теплоизоляция (100 мм) | 3,24 Вт/м°C |
| 2 | Керамический блок (400 мм) + закрытый воздушный зазор (30 мм) + облицовочный кирпич (120 мм) | 1,38 Вт/м °C |
| 3 | Керамический блок (400 мм) + изоляционный материал (100 мм) + вентилируемый воздушный зазор (30 мм) + облицовочный кирпич (120 мм) | 3,21 Вт/м °C |
Стена из керамического блока
| 1 | Керамический блок (510 мм) | 3,20 Вт/м °C |
| 2 | Керамический блок теплый (380 мм) | 3,18 Вт/м °C |
| 3 | Керамический блок (510 мм) + теплоизоляция (100 мм) | 4,81 Вт/м °C |
| 4 | Керамический блок (380 мм) + закрытый воздушный зазор (30 мм) + облицовочный кирпич (120 мм) | 2,62 Вт/м °C |
Стена из силикатного кирпича
| 1 | Кирпич (380 мм) + теплоизоляция (100 мм) | 3,07 Вт/м °C |
| 2 | Кирпич (510 мм) + закрытый воздушный зазор (30 мм) + облицовочный кирпич (120 мм) | 1,38 Вт/м °C |
| 3 | Кирпич (380 мм) + изоляционный материал (100 мм) + вентилируемый воздушный зазор (30 мм) + облицовочный кирпич (120 мм) | 3,05 Вт/м °C |
Таблица теплопроводности металлов
Теплопроводность металлов не менее важна в строительной отрасли, например, при выборе радиаторов. Такие значения также необходимы в критических процессах сварки, при производстве полупроводников и изоляторов. Ниже приведено сравнение теплопроводности различных металлов.
Таблица теплопроводности дерева
Дерево в строительстве негласно является одним из элитных материалов для возведения домов. И не только из-за его экологичности и высокой стоимости. Древесина имеет самые низкие коэффициенты теплопроводности. В то же время, такие значения напрямую зависят от вида. Самый низкий коэффициент среди строительных материалов имеют кедр (всего 0,095 Вт/(м∙С)) и пробка. Строительство домов из пробки очень дорого и проблематично. Однако пробка ценится за низкую теплопроводность и хорошие звукоизоляционные свойства. Ниже приведены таблицы, показывающие теплопроводность и долговечность различных видов бетона.
Таблица проводимости тепла бетонов
Бетон в различных его разновидностях является самым распространенным строительным материалом на сегодняшний день, хотя он и не является самым «горячим». Различают конструкционный и теплоизоляционный бетон. Первые используются для фундаментов и чувствительных частей зданий, а вторые — для стен. В зависимости от региона, они получают дополнительную изоляцию или нет.
Сравнительная таблица теплоизоляционного бетона и теплопроводности различных стеновых материалов
Газобетон считается самым «теплым» и прочным. Однако это не совсем так. Если сравнить структуру ячеистого бетона и газобетона, то можно увидеть существенные различия. Поры первых закрыты, в то время как у аэрированных силикатов большинство из них открыты, как бы «зазубрены». Именно поэтому неутепленный дом из ячеистого бетона очень холодный в ветреную погоду. По этой же причине такой легкий бетон более восприимчив к влаге.
Какой коэффициент теплопроводности у воздушной прослойки
В строительстве часто используются пустоты приточного воздуха, которые только увеличивают теплопроводность всего здания. Такие воздушные пустоты также необходимы для отвода влаги наружу.
При проектировании таких воздушных пустот в зданиях из пенобетона всех типов необходимо соблюдать особую осторожность. Такие воздушные пространства также имеют свой коэффициент теплопроводности, зависящий от их толщины
Таблица теплопроводности перегородок воздушного пространства
