Теплопроводность строительных материалов — основные понятия, табличные значения, расчеты

Содержание

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительного проекта важно обращать внимание на характеристики материала. Одной из ключевых характеристик является теплопроводность. На это указывает коэффициент теплопроводности. Это количество тепла, которое материал может провести за единицу времени. То есть, чем ниже коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше число, тем лучше проводится тепло.


График, иллюстрирующий различия в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для теплоизоляции; материалы с высокой теплопроводностью используются для передачи или рассеивания тепла. Например, радиаторы изготавливаются из алюминия, меди или стали, поскольку они хорошо передают тепло, т.е. имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для изоляции используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. Если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. В ходе расчета вычисляется теплопроводность каждого компонента «пирога», и полученные значения суммируются. Получается общая теплоизоляция ограждающих конструкций здания (стены, полы, потолки).

Теплопроводность строительного материала указывает на количество тепла, которое он пропускает в единицу времени
Теплопроводность строительного материала указывает на количество тепла, которое он пропускает в единицу времени.

Существует также такое понятие, как термическое сопротивление. Он указывает на способность материала предотвращать теплопередачу. То есть, это обратная величина теплопроводности. И если вы видите материал с высоким термическим сопротивлением, вы можете использовать его для теплоизоляции. Примерами изоляционных материалов являются популярные минеральная вата, базальтовая вата, полистирол и т.д. Для рассеивания или передачи тепла необходимы материалы с низким термическим сопротивлением. Для отопления, например, используются алюминиевые или стальные радиаторы, поскольку они хорошо отдают тепло.

Понятие теплопроводности

Теплопроводность — это процесс передачи тепловой энергии, который происходит в результате столкновения мельчайших частиц в теле. Этот процесс не прекращается до тех пор, пока не будет достигнуто температурное равновесие. Это занимает определенное время. Чем больше время теплопередачи, тем ниже коэффициент теплопередачи.

Это значение выражается как коэффициент теплопроводности материалов. В таблице приведены уже измеренные значения для большинства материалов. Расчет основан на количестве тепловой энергии, прошедшей через данную поверхность материала. Чем выше расчетное значение, тем быстрее объект выделит все свое тепло.

Принцип плоского источника тепла

Эти методы достаточно точны, но они требуют много времени и могут быть применены только к образцам с точно определенными размерами, а их подготовка требует больших усилий. Нестационарные методы — ударные методы с использованием вторичных измерительных приборов. Стационарные методы . Перейдем к расчету теплопередачи от плоского источника тепла, используя фундаментальное уравнение Фурье для теплопроводности в форме.

wefullsizeki9.jpg

В случае ограждающих конструкций здания (стены, пол, потолок, крыша) процесс теплопередачи будет определяться временем, которое требуется для того, чтобы температура внутри помещения сравнялась с температурой окружающей среды.

Чем дольше длится этот процесс, тем комфортнее будет чувствовать себя помещение и тем экономичнее оно будет с точки зрения эксплуатационных расходов.

Принцип нестационарного плоского измерительного оборудования

Зонд нестационарного измерительного устройства образует полузакрытую область с известными параметрами и термочувствительной границей, на поверхности которой находится плоский источник тепла. В принципе, этот метод основан на ударном «методе горячей проволоки», но в отличие от него заменяет линейный источник тепла плоским источником тепла, который гарантирует аппроксимацию измеренного значения по всей поверхности испытательного зонда и устраняет возможное влияние локальных неоднородностей материала.

Численно процесс теплопередачи характеризуется коэффициентом теплопередачи. Физический смысл коэффициента показывает, какое количество тепла в единицу времени проходит через единицу поверхности. Другими словами, чем выше значение, тем лучше теплопроводность, тем быстрее будет происходить процесс теплопередачи.

Температура находится на измеряемом пределе, контролируемом эталонной термопарой. Измеренные значения записываются и оцениваются здесь. Мощность источника тепла контролируется программным обеспечением для обеспечения оптимальной тепловой защиты на границе раздела между зондом и исследуемым материалом в соответствии с тепловыми параметрами исследуемого образца.

При оценке результатов измерений теплопроводности с помощью нестационарных плоскопанельных измерительных приборов сравнительным методом мы обычно предполагаем сходный ход температур при регулярном нагреве материалов. На приведенной ниже диаграмме сформулирован типичный ход температуры при обычном отоплении.

Поэтому на этапе проектирования необходимо проектировать конструкции, теплопроводность которых должна иметь минимально возможное значение.

Основные параметры, от которых зависит величина теплопроводности

Не все строительные материалы одинаково теплоэффективны. На это влияют следующие факторы:

  1. Пористая структура материала означает, что структура неоднородна и поры заполнены воздухом. Тепловые массы, проходящие через такие прослойки, теряют минимум своей энергии. Поэтому пенобетон с закрытыми порами считается хорошим изолятором. Закрытые поры пенобетона заполнены воздухом, который считается лучшим изолятором.
    Пенобетон с закрытыми ячейками заполнен воздухом, который является лучшим теплоизолятором.
  2. Более высокая плотность материала означает, что частицы более плотно связаны друг с другом. В результате температурный баланс выравнивается гораздо быстрее. Именно по этой причине плотный материал имеет более высокий коэффициент теплопередачи. Именно поэтому железобетон считается одним из самых «крутых» материалов. Высокая плотность придает хорошую прочность железобетону, но делает его менее теплоэффективным
    Высокая плотность придает хорошую прочность железобетону, но также ограничивает его тепловую эффективность.
  3. Влага является губительным фактором, который увеличивает скорость теплопередачи. Вот почему важно герметизировать здание, обеспечить достаточную вентиляцию и использовать строительные материалы, максимально инертные к влаге.


«Холодно, холодно и сыро. Я не понимаю, что в нас холодного…». Даже в Согдиане знают, что сырость и холод — вечные соседи, от которых невозможно спрятаться в теплом джемпере

Если вы знаете, что такое теплопроводность и какие факторы на нее влияют, вы можете с уверенностью попробовать применить свои знания для расчета будущих строительных конструкций. Для этого необходимо знать коэффициенты используемых материалов.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, теплопроводность стен, пола и крыши должна быть не ниже определенного значения, которое рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» из стен, пола и потолка, толщина материалов берутся так, чтобы общее количество было не меньше (а лучше — хотя бы чуть больше) рекомендованного для вашего региона.

Коэффициент теплопроводности современных строительных материалов для ограждающих конструкций зданий
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 сухих условиях При нормальной влажности 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, полы и потолки могут быть выполнены из различных материалов, но принято сравнивать теплопроводность строительных материалов с каменной кладкой. Все знакомы с этим материалом, и с ним легче создавать 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.

Сравнивается широкий спектр материалов
Можно сравнивать широкий спектр материалов

после высыхания при нормальной влажности при высокой атмосферной влажности
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
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3 0,23 0,39 0,45
пенобетон, 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. В конструкциях они часто выступают в качестве мостика холода. 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

Особенности теплопроводности готового строения

При планировании дизайна вашего будущего дома важно учитывать теплопотери. Большая часть тепла уходит через двери, окна, стены, крышу и полы.

Теплопотери в многоквартирных домах будут отличаться по сравнению с частными зданиями

Потери тепла в жилых зданиях будут отличаться от потерь тепла в отдельно стоящем доме.

Если вы не оцените тепловую эффективность вашего дома, вы будете чувствовать холод внутри. Рекомендуется дополнительно утеплять здания из кирпича, бетона и камня.

Изоляция бетонных или каменных зданий повышает комфортные условия внутри помещений

Изоляция бетонных или каменных зданий повышает комфортные условия внутри помещений.

Полезный совет! Прежде чем утеплять дом, необходимо предусмотреть хорошую гидроизоляцию. В этом случае даже повышенная влажность не повлияет на теплоизоляцию помещения.

Разновидности утепления конструкций

Теплое здание будет достигнуто благодаря оптимальному сочетанию конструкции из прочных материалов и высококачественного теплоизоляционного слоя. Такие конструкции могут включать:

Монтажные работы по теплоизоляции каркасной конструкции требуют дополнительных конструктивных элементов

Монтажные работы по утеплению деревянно-каркасного здания требуют дополнительных конструктивных элементов.

  • Здание, построенное из стандартных материалов, таких как шлакоблоки или кирпичи. В этом случае изоляция часто выполняется с наружной стороны.

Особенности монтажа теплоизоляционного материала с внутренней стороны

Особенности монтажа изоляционного материала с внутренней стороны

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы делятся на теплоизоляционные и конструкционные. Структурное сырье характеризуется самыми высокими показателями теплопроводности и используется для возведения стен, потолков и других ограждающих конструкций. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, толщина стен из железобетона должна составлять около 6 метров для достижения низкого теплообмена с окружающей средой. Если это так, то здание будет огромным, громоздким и дорогим.

Иллюстративный пример - при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Наглядный пример того, во сколько раз толщина разных материалов будет равна коэффициенту теплопроводности разных материалов.

Поэтому при строительстве дома особое внимание следует уделить дополнительным изоляционным материалам. Теплоизоляционный слой может не понадобиться только для конструкций из дерева или пенобетона, но даже для такого низкопроводящего сырья следует использовать конструкцию толщиной не менее 50 см.

Необходимо знать! Теплоизоляционные материалы имеют минимальные значения теплопроводности.

Как рассчитать толщину стен

Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/крыша) должны обладать определенным термическим сопротивлением. Это значение различно для каждого региона. Это зависит от средней температуры и влажности в регионе.

Тепловое сопротивление строительных перегородок для регионов России

Чтобы избежать высоких счетов за отопление, строительные материалы и их толщина должны быть подобраны таким образом, чтобы общее термическое сопротивление материалов было не меньше значения, указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Помимо несущей конструкции, существует изоляция и отделочные материалы. Каждый слой имеет свою толщину. Как вы определяете толщину изоляции? Расчет прост. Он основан на формуле:

Формула для расчета термического сопротивления
Формула для расчета термического сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопередачи.

Предварительно необходимо определить, какие материалы вы будете использовать при строительстве. Очень важно знать тип материала стен, теплоизоляцию, отделку и т.д. Каждый из них вносит свой вклад в теплоизоляцию, а теплопроводность строительных материалов учитывается при расчете.

Сначала рассчитывается термическое сопротивление строительного материала (из которого будет построена стена, пол и т.д.), а затем по «остаточному» принципу подбирается толщина выбранной теплоизоляции. Также можно учитывать теплоизоляционные свойства отделочных материалов, но они обычно являются «плюсом» к основанию. То есть, закладывается определенный резерв «на всякий случай». Этот резерв позволяет экономить на отоплении, что положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Приведем пример. Мы собираемся построить стену из полутора блоков, утеплить ее минеральной ватой. Согласно таблице, термическое сопротивление стены для данной площади должно быть не менее 3,5. Расчеты для данной ситуации приведены ниже.

  1. Для начала рассчитаем термическое сопротивление кирпичной стены. Полтора кирпича — это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кирпичной стены равен 0,56. Рассчитайте по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Это термическое сопротивление стены в 1,5 кирпича.
  2. Вычтите данное значение из общего теплового сопротивления для данного региона: 3,5 — 0,68 = 2,82. Вы должны увеличить это значение с помощью теплоизоляции и отделочных материалов.
    Все ограждающие конструкции должны быть рассчитаны
    Все ограждающие конструкции должны быть рассчитаны
  3. Давайте рассчитаем толщину минеральной ваты. Его коэффициент теплопроводности равен 0,045. Толщина слоя составит: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. Это означает, что для достижения требуемого уровня изоляции толщина слоя минеральной ваты должна составлять не менее 13 см.

Если у вас ограниченный бюджет, можно использовать 10 см минеральной ваты, а недостающее количество будет покрыто отделочными материалами. Они будут у вас снаружи и внутри. Однако если вы хотите свести счета за отопление к минимуму, лучше добавить в смету отделочные материалы. Это ваш резерв на случай самых низких температур, поскольку нормы термического сопротивления ограждающих конструкций рассчитываются на основе средней температуры за несколько лет, а зимы могут быть аномально холодными. Поэтому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки, просто не учитывается.

Что такое КТП строительного материала?

Теоретически, как и 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.

Каков коэффициент теплопередачи
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 применяют тепловой эффект, 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.

Изоляционный строительный материал
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.

Строительный материал с пористой структурой
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, исходя из плотности структуры строительного материала, зависимость теплопроводности от нее можно рассчитать 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.

Влажный строительный материал
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.

Строительный материал для зимы
Одной из причин отказа от зимнего метода 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.

Нагрев металла и теплопроводность
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:

  1. Стационарный режим измерения.
  2. Нестационарный режим измерения.

Метод установившегося состояния предполагает работу с параметрами, которые остаются постоянными во времени или изменяются незначительно. Для практического применения эта методика может быть использована 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.

Теплопроводность
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.

Коэффициент теплопроводности материалов

В таблице ниже приведены значения коэффициентов теплопередачи для некоторых материалов, используемых в строительстве.

Материал Теплопроводность Вт/(м2*К)
Алебастровая плитка 0,470
Алюминий 230,0
Асбест (шифер) 0,350
Асбестовое волокно 0,150
Асбестоцемент 1,760
Асбестоцементные листы 0,350
Битум 0,720
Битум в полах 0,800
Бакелит 0,230
Щебеночный бетон 1,300
Бетон на песке 0,700
Пористый бетон 1,400
Твердый бетон 1,750
Бетон с теплоизоляцией 0,180
Битум 0,470
Бумага 0,140
Легкая минеральная вата 0,045
Тяжелая минеральная вата 0,055
вата 0,055
Вермикулитовые листы 0,100
Войлочная шерсть 0,045
Строительный гипс 0,350
Корунд 2,330
Гравий (наполнитель) 0,930
Гранит, базальт 3,500
Почва 10% воды 1,750
Почва 20% воды 2,100
Песчаная почва 1,160
Сухая почва 0,400
Уплотненная почва 1,050
Тар 0,300
Дерево — доски 0,150
Дерево — фанера 0,150 0,150
Твердая древесина 0,200
Чипборд Чипборд 0,200
Алюминий 160,0
Армированный бетон 1,700
Эшвуд 0,150
Известняк 1,700
Известково-песчаный раствор 0,870
Ипоркум (вспененная смола) 0,038
Камень 1,400
Ламинированный строительный картон 0,130
Вспененная резина 0,030
Натуральный каучук 0,042
Фторированный каучук 0,055
Глиняный бетон 0,200
Кремнеземистый кирпич 0,150
Полнотелый кирпич 0,440
Силикатный кирпич 0,810
Полнотелый кирпич 0,670
Шлаковый кирпич 0,580
Кремнистые плиты 0,070
Латунь 110,0
Лед 0°C 2,210
Лед -20°C 2,440
Липа, береза, клен, дуб (влажность 15%) 0,150
Медь 380,0
Mipora 0,085
Опилки — засыпка 0,095
Сухие опилки 0,065
ПВХ 0,190
Вспененный бетон 0,300
Полистирол PS-1 0,037
Пенопласт PS-4 0,040
Вспененный пластик ПВХ-1 0,050
Пенопласт из стеклопластика 0,045
Полистирол PS-B 0,040
Полистирол PS-BC 0,040
Плиты из пенополиуретана 0,035
Плиты из пенополиуретана 0,025
Легкое пеностекло 0,060
Тяжелое пеностекло 0,080
Пергамон 0,170
Перлит 0,050
Перлитоцементные плиты 0,080
Песок 0% влажности 0,330
Песок 10% влажности 0,970
Песок 20% влажности 1,330
Жженый песчаник 1,500
Облицовка плиткой 1,050
Теплоизоляционная плитка PMTB-2 0,036
Полистирол 0,082
Полиуретан 0,040
Портландцементный раствор 0,470
Пробковая доска 0,043
Светлые пробковые доски 0,035
Тяжелые пробковые доски 0,050
Резина 0,150
Рубероид 0,170
Шифер 2,100
Снег 1,500
Белая сосна, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, влажность 15%) 0,150
Смолистая сосна (600…750 кг/куб.м, влажность 15%) 0,230
Сталь 52,0
Стекло 1,150
Стекловата 0,050
Стекловолокно 0,036
Пластик, армированный стекловолокном 0,300
Чипсы — набивка 0,120
Тефлон 0,250
Бумажный палец 0,230
Цементные плиты 1,920
Цементно-песчаный раствор 1,200
Чугун 56,0
Гранулированный шлак 0,150
Котельный шлак 0,290
Шлакобетон 0,600
Сухая штукатурка 0,210
Цементная штукатурка 0,900
Эбонит 0,160

Таблица теплопроводности кирпича

Как уже известно, кирпич — не самый «теплый» материал для стен. По теплоэффективности он отстает от дерева, пенобетона и керамзита. Но правильно изолированные, они создают комфортные и теплые дома.

Сравнение теплопроводности строительных материалов по толщине (кирпич и пенобетон)

Но не все кирпичи имеют одинаковый коэффициент теплопроводности (λ). Например, клинкерный кирпич имеет самое высокое значение — 0,4-0,9 Вт/(м-К). Поэтому строительство с его использованием нецелесообразно. Чаще всего его используют для дорожных работ и укладки полов в технических зданиях. Самый низкий коэффициент с аналогичными характеристиками наблюдается у так называемой термокерамики — всего 0,11 Вт/(м-К). Но этот продукт также очень хрупкий, что сводит его использование к минимуму.

Силикатный кирпич неплох с точки зрения прочности и теплоэффективности. Но их также необходимо дополнительно утеплять и, в зависимости от региона строительства, возможно, даже уплотнять. Ниже приведено сравнение значений теплопроводности различных кирпичей.

Таблица теплопроводности металлов

Теплопроводность металлов не менее важна в строительстве — например, при выборе радиаторов. Такие значения также необходимы для критической сварки, производства полупроводников и различных изоляционных материалов. 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 пенобетонных зданиях любого типа необходимо соблюдать особую осторожность. Такие воздушные пространства также имеют свой коэффициент теплопроводности, зависящий от их толщины

Теплотехнический расчет стен из различных материалов

При большом разнообразии материалов для подпорных стенок иногда трудно сделать правильный 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. Второе становится особенно важным, если к дому не подведен газ

Способность материала удерживать тепло снаружи влияет на комфорт в доме и расходы на отопление. Второй пункт особенно важен, если к дому не подведен газ.

Теплотехнические характеристики строительных конструкций характеризуются сопротивлением теплопередаче (Ro, м²-°C/Вт).

Согласно последней редакции СНиП 23-02-2003), 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 таблице ниже приведена толщина однослойной наружной стены дома, отвечающей тепловым 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

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от многих факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала


Влияние температуры на теплопроводность варьируется между металлами и неметаллами. В металлах проводимость в основном связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана-Франца, теплопроводность металла пропорциональна произведению его абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, и его электропроводности. В чистых металлах электропроводность уменьшается с повышением температуры, так что теплопроводность остается приблизительно постоянной. В сплавах электропроводность мало изменяется с повышением температуры, поэтому теплопроводность сплавов увеличивается пропорционально температуре.

В отличие от этого, передача тепла в неметаллах происходит в основном через колебания решетки и обмен фононами решетки. За исключением высококачественных и низкотемпературных кристаллов, путь фононов решетки не уменьшается значительно при высоких температурах, поэтому теплопроводность остается постоянной во всем диапазоне температур, т.е. пренебрежимо мала. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал претерпевает фазовый переход первого рода, например, из твердого тела в жидкость или из жидкости в газ, его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница в этой физической величине для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К)).

Изменения в кристаллической структуре материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеяния фононов решетки, основных переносчиков тепла в неметаллах, в разных направлениях в кристалле. Ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется в зависимости от электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят с собой не только электрическую, но и тепловую энергию. В других материалах соотношение между этими типами проводимости неясно из-за незначительного вклада электронной компоненты в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме теплопередачи играют фононы решетки).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы обычно являются хорошими теплоизоляторами в отсутствие конвекционных процессов. На этом принципе основаны многие изоляционные материалы, которые содержат большое количество мелких полостей и пор. Такая структура препятствует распространению конвекции на большие расстояния. Примерами таких искусственных материалов являются полистирол и кремнеземный аэрогель. В природе изоляторы, такие как шкуры животных или перья птиц, работают по тому же принципу.

Легкие газы, такие как водород и гель, имеют высокие показатели теплопроводности, в то время как тяжелые газы, такие как аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве изолирующего газа-наполнителя в стеклопакетах и лампочках. Исключение составляет гексафторид серы, который является тяжелым газом и имеет относительно высокую теплопроводность из-за своей высокой теплоемкости.

Поделиться:
Нет комментариев
×
Рекомендуем посмотреть
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять
Политика конфиденциальности
Adblock
detector