Теплопроводность строительных материалов: какой материал самый энергоэффективный
Ведущие тенденции современного строительства – это возведение домов с максимальной энергоэффективностью. То есть с возможностью создания и поддержания комфортных условий проживания при минимальных затратах энергоносителей. Понятно, что многим нашим строителям, ведущим возведение своих жилых владений самостоятельно, до таких показателей пока далековато, но стремиться к этому – необходимо всегда.
Прежде всего, это касается минимизации тепловых потерь через строительные конструкции. Достигается такое снижение эффективной термоизоляцией, выполненной на основании теплотехнических расчетов. Проектирование в идеале должны проводить специалисты, но часто обстоятельства понуждают владельцев жилья и такие вопросы брать в свои руки. Значит, необходимо иметь общие представления о базовых понятиях строительной теплотехники. Прежде всего – что такое теплопроводность строительных материалов, в чем она измеряется, как просчитывается.
Если разобраться с этими «азами», то будет проще всерьез, со знанием дела , а не по наитию, заниматься вопросами утепления своего жилья.
Что такое теплопроводность, какими единицами измерения она описывается?
Если не рассматривать каких-то теоретических условий, то в реальности все физические тела, жидкости или газы обладают способностью к передаче тепла. Иными словами, чтобы было понятнее, если какой-то объект начинают нагревать с одной из сторон, он становится проводником тепла, нагреваясь сам и передавая тепловую энергию дальше. Точно так же – и при охлаждении, только с «обратным знаком».
Даже на простом бытовом уровне всем понятно, что эта способность выражена у разных материалов в очень отличающейся степени. Например, одно дело мешать готовящееся на плите кипящее блюдо деревянной лопаткой, и совсем другое – металлической ложкой, которая практически моментально разогреется до такой температуры, что ее невозможно будет держать в руках. Этот пример наглядно показывает, что теплопроводность металла во много раз выше, чем у дерева.
И таких примеров – масса, буквально на каждом шагу. Например, прикоснитесь рукой к обычной деревянной двери в комнате, и к металлической ручке, прикрученной на ней. По ощущениям – ручка холоднее. Но такого не может быть – все предметы в помещении имеют примерно равную температуру. Просто металл ручки быстрее отвел на себя тепло тела, что и вызвало ощущения более холодной поверхности.
Коэффициент теплопроводности материала
Мнение эксперта:
Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.
Существует специальная единица, которая характеризует любой материал, как проводник тепла. Называется она коэффициентом теплопроводности, обозначается обычно греческой буквой λ, и измеряется в Вт/(м×℃). (Во многих встречающихся формулах вместо градусов Цельсия ℃ указаны градусы Кельвина, К, но сути это не меняет).
Этот коэффициент показывает способность материала передавать определенное количество тепла на определённое расстояние за единицу времени. Причем, это показатель характеризует именно материал, то есть без привязки к каким бы то ни было размерам.
Такие коэффициенты рассчитаны для практически любых строительных и иных материалов. Ниже в данной публикации приведены таблицы для различных групп – растворов, бетонов, кирпичной и каменной кладки, утеплителей, древесины, металлов и т.д. Даже беглого взгляда на них достаточно, чтобы убедиться, насколько эти коэффициенты могут отличаться.
Очень часто производители стройматериалов того или иного предназначения в череде паспортных характеристик указывают и коэффициент теплопроводности.
Материалы, которые отличаются высокой проводимостью тепла, например, металлы, как раз и находят часто применение в роли теплоотводов или теплообменников. Классический пример – радиаторы отопления, в которых чем лучше их стенки будут передавать нагрев от теплоносителя, тем эффективнее их работа.
А вот для большинства строительных материалов – ситуация обратная. То есть чем меньше коэффициент теплопроводности материала, из которого возведена условная стенка, тем меньше тепла будет терять здание с приходом холодов. Или, тем меньше можно будет сделать толщину стены при одинаковых показателях теплопроводности.
И на титульной картинке к статье, и на иллюстрации ниже показаны весьма наглядные схемы, как будет различаться толщина стены из разных материалов при равных способностях удержать тепло в доме. Комментарии, наверное, не нужны.
В справочной литературе часто указывается не одно значение коэффициента теплопроводности для какого-то материала, а целых три. (А иногда – и больше, так как этот коэффициент может меняться с изменением температуры). И это – правильно, так как на теплопроводные качества влияют и условия эксплуатации. И в первую очередь – влажность.
Это свойственно большинству материалов – при насыщении влагой коэффициент теплопроводности увеличивается. И если ставится цель выполнить расчеты максимально точно, с привязкой к реальным условиям эксплуатации, то рекомендуется не пренебрегать этой разницей.
Итак, коэффициент может даваться расчетный, то есть для совершенно сухого материала и лабораторных условий. Но для реальных расчетов берут его или для режима эксплуатации А, или для режима Б.
Эти режимы складываются консолидировано из климатических особенностей региона и из особенностей эксплуатации конкретного здания (помещения).
Тип своей климатической зоны по уровню влажности можно определить по предлагаемой карте-схеме:
Особенности влажностного режима помещений определяются по следующей таблице:
Таблица определения влажностного режима помещений
| Влажностной режим помещения | Относительная влажность внутреннего воздуха при температуре: | ||
|---|---|---|---|
| до 12°С | от 13 до 24°С | 25°С и выше | |
| Сухой | до 60% | до 50% | до 40% |
| Нормальный | от 61 до 75% | от 51 до 60% | от 41 до 50% |
| Влажный | 76% и более | от 61 до 75% | от 51 до 60% |
| Мокрый | — | 76% и более | 61% и более |
Кстати, о влажности.
А хорошо ли вы представляете себе, что такое относительная влажность воздуха. И какой она должна быть в помещениях для поддержания комфортного микроклимата? Если с этим ясности нет – добро пожаловать к специальной публикации нашего портала, посвященной приборам измерения относительной влажности .
Итак, имея данные карты-схемы и таблицы, можно по второй таблице определиться с выбором режима А или Б, от которого будет зависеть реальная величина коэффициента теплопроводности.
Таблица для выбора режима эксплуатации ограждающих конструкций
| Влажностной режим помещения (по таблице) | Зоны влажности (в соотвествии с картой-схемой) | ||
|---|---|---|---|
| 3 — сухая | 2 — нормальная | 1 — влажная | |
| Сухой | А | А | Б |
| Нормальный | А | Б | Б |
| Влажный или мокрый | Б | Б | Б |
Вот по этому режиму и выбирается из табличных данных наиболее близкий к реальности коэффициент теплопроводности.
Таблицы будут приведены ниже, под теоретической частью.
Сопротивление теплопередаче
Мнение эксперта:
Главный редактор проекта Stroyday.ru. Инженер.
Итак, коэффициент теплопроводности характеризует сам материал. Но с практической точки зрения, наверное, важнее иметь какую-то величину, которая будет описывать теплопроводные способности конкретной конструкции. То есть уже с учетом особенностей ее строения и размеров.
Такая единица измерения есть, и называется она сопротивлением теплопередаче. Ее можно считать обратной величиной коэффициенту теплопроводности, с одновременным учетом толщины материала.
Обозначается сопротивление теплопередаче (или, как его часто именуют, термическое сопротивление) латинской буквой R. Если «плясать» от коэффициента теплопроводности, то определяется оно по следующей формуле.
R = h/λ
R — сопротивление теплопередаче однослойной однородной ограждающей конструкции, м²×℃/Вт;
h — толщина этого слоя, выраженная в метрах;
λ — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлена эта ограждающая конструкция, Вт/(м×℃).
Очень часто в строительстве используются многослойные конструкции. В том числе одним из слоев нередко выступает утеплительный материал с очень низким коэффициентом теплопроводности – специально, чтобы максимально повысить значение термического сопротивления. Дело в том, что общее значение суммируется из сопротивлений всех слоев, составляющих ограждающую конструкцию. И к ним добавляется сопротивление приграничных слоев воздуха на внешней и внутренней поверхностях конструкции.
Формула сопротивления перегородки с n-слоев будет такой:
Rsum = R₁ + R₂ + …+Rn + Rai + Rao
Rsum— суммарное термическое сопротивление ограждающей конструкции;
R₁ … Rn— сопротивления слоев, от 1 до n;
Rai— сопротивление пристенного слоя воздуха внутри;
Rao— сопротивление пристенного слоя воздуха снаружи.
Для каждого из слоев сопротивление рассчитывается отдельно, исходя из коэффициента теплопроводности материала и толщины.
Есть специальная методика расчета и коэффициентов воздушных прослоек вдоль стены снаружи и внутри. Но для упрощенных расчётов их вполне можно взять равными суммарно 0,16 м²×℃/Вт – большой погрешности не будет.
Кстати, если в конструкции перегородки предусмотрена воздушная полость, не сообщающаяся с внешним воздухом, то она тоже дает весомую добавку к общему сопротивлению теплопередаче. Значения сопротивления теплопередаче воздушных изолированных прослоек показаны в таблице ниже:
Таблица термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек
Пояснения по работе с калькулятором
Программа несложна, но все же требует некоторых пояснений.
Предлагаемый алгоритм расчета позволяет провести вычисления сопротивления теплопередаче для любой ограждающей конструкции, включающей от одного до пяти различных слоев.
- Первый слой пусть будет считаться по умолчанию основным. Для него указывается:
— его толщина в миллиметрах (так сделано для удобства, а перевод в метры программа выполнит самостоятельно).
— коэффициент теплопроводности материала, из которого создан этот слой. Значение берется из таблиц, с учетом режима эксплуатации А или Б. При вводе значения в калькулятор вместо запятой в качестве десятичного разделителя используется точка.
- Вторым слоем предлагается указать имеющуюся (если есть) или планируемую термоизоляцию. Здесь уже на выбор – если оставить по умолчанию «нет», то программа проигнорирует этот слой. Если согласиться – появятся поля ввода данных, те же толщина и коэффициент теплопроводности.
- Аналогично по выбору пользователя вводятся или игнорируются еще три произвольных слоя. Это, кстати, могут быть внешняя и внутренняя отделка, если она выполнена из значимых для теплопроводности материалов, многослойная кладка стены и т.п.
- Если задача стоит только в определении сопротивления теплопередаче, то можно сразу переходить к клавише «РАССЧИТАТЬ…».
- Ну а если есть желание еще и найти величину тепловых потерь через рассчитываемую ограждающую конструкцию, то ставится отметка «да, включить дополнительный расчёт». В этом случае появятся еще три поля ввода данных – площадь ограждающей конструкции, температура в помещении и температура на улице.
Уличную температуру для расчетов, как правило, берут минимальную, свойственную самой холодной декаде зимы в регионе проживания. Так задается необходимый запас мощности отопительного оборудования и эффективности системы утепления. Домашнюю температуру обычно считают в пределах 20÷24 ℃ для жилых помещений. Для нежилых (подъезды, коридоры, кладовые и т.п.) можно ограничиться +15 ℃. Для ванных, душевых, бань – порядка 35 ℃.
Рассчитанное термическое сопротивление показывается первой строкой появляющегося результата. Если был выбран вариант с вычислением тепловых потерь, то их значение (в ваттах) будет указано во второй строке.
Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!
Коэффициент теплопроводности – как утеплить дом и сэкономить
При постройке дома нужно учитывать его тепловую эффективность, чтобы в помещении было тепло или холодно. Для этого существует коэффициент теплопроводности, который означает скорость прохождения энергии через материал. Требуется знать, что влияет на КТП и как его определить, а также какие основные функции теплопроводности и для чего она нужна. Важно понимать, какие материалы имеют низкую или высокую КТП, если нужно что-то построить.
Что такое теплопроводность
В теории теплопроводность – это способность материала проводить энергию или тепло от более нагретых частей к менее тёплым, путём хаотического движения частиц тела. На практике это минимизация тепловых потерь через строительные конструкции. У разных материалов своя теплопроводность. Дерево менее податливо к таким действиям, а металл наоборот нагревается до такой степени¸ что его тяжело держать в руках.
Для характеристики проводника тепла придумали такую единицу, как коэффициент. Обозначают её греческой буквой λ и измеряют в Вт/(м*℃). Иногда вместо градусов Цельсия в этой формуле указаны градусы Кельвина (К), но суть от этого не меняется. Этот коэффициент показывает способность передачи тепла материалом на определённое расстояние за единицу времени. Но показатель характеризует само вещество, не привязываясь к размерам изделия.
При покупке стройматериала у продавца можно попросить паспорт на продукт и посмотреть коэффициент теплопроводности. Сырье, отличающееся высокой проводимостью тепла, используют в качестве радиаторов, так как их стенки будут передавать нагрев от теплоносителя.
Чем меньше коэффициент теплопроводности материала для стены здания, тем меньше оно будет терять тепла во время холодной погоды. И тем меньше можно делать толщину стены. В справочниках чаще всего указывают несколько значений теплопроводности для материала (от трёх и больше). Это происходит из-за того, что сам коэффициент меняется в зависимости от температуры и других факторов, например, влаги, при которой значение увеличивается.
Назначение теплопроводности
Так как теплопроводность – это показатель передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов к предметам с более низкой температурой, то процесс происходит до тех пор, пока градусы не уравняются. При построении зданий желательно применять материалы с минимальным показателем теплопроводности.
Для уменьшения нагрева помещения от солнечных лучей используются покрытия с отражающей поверхностью (оцинковка, зеркальные панели), а для увеличения применяются вещества, которые хорошо поглощают свет (битум, рубероид).
Такое понятие, как коэффициент теплопроводности, обозначает количество проходящего тепла через 1 м толщины материала за 1 час. Его используют для расчёта характеристики теплоизоляционных материалов, которые потребуются для сбережения тепла внутри помещения, а также способности сырья быстро отводить или дольше сдерживать энергию внутри конструкции.
Материалы с высокой проводимостью используются в качестве основы для радиаторов и нагревательных труб. Для производства применяют алюминий, медь или сталь из-за их высокой плотности и хорошей передачи энергии. Для утепления используют сырье с низкой теплопроводностью и высокой пористостью. Например, войлок или стекловолокно способствуют улучшению энергетической эффективности.
Видео описание
Как делается расчёт КТП и требуемых материалов, смотрите в видео:
Смотрите также:
Каталог компаний, что специализируются на фасадных материалах
Что влияет на теплопроводность
Из-за того, что в воздухе тепло передаётся только за счёт движущихся частиц, материалы, которые имеют пористую структуру, хуже отводят тепло. Передача энергии сильно зависит от количества, плотности, размера и формы пустых мест внутри сырья, из которого изготовлена конструкция (дом, печь или любая другая).
Также на энергетическую эффективность влияют отражающие свойства материала. Если покрытие имеет зеркальную поверхность, то оно будет получать меньше тепла от солнечных лучей и ламповых обогревателей.
Большую роль в передаче энергии по сырью играет влажность. Сырой воздух может увеличить скорость охлаждения, так как вода довольно сильно и быстро поглощает тепло, а влажные стены легче остывают.
Также на теплопроводность материала влияет его слоистость и волокнистость. Например, пол, который покрыт торцовой деревянной шашкой проводит большее количество энергии, чем щитовой или дощатый паркет. Это обусловлено тем, что у древесных изделий термическое сопротивление поперёк волокон в 2 раза выше, чем вдоль соединений. Таким особенностям подвергаются и искусственные материалы со слоистой структурой.
На теплопроводность влияет плотность соприкосновения одного материала к другому. Например, стена, к которой плотно прилегает железная поверхность будет остывать быстрее. Но это работает и в обратную сторону. Если между двумя деталями будет прослойка из воздуха или газа, то передача энергии уменьшится.
Это применяется при изготовлении окон из стекла или пластиковых аналогов. Также некоторые строители оставляют воздушную прослойку между двумя параллельными стенами или полом и фундаментом.
Читайте также:
Стяжка пола с керамзитом: технология утепления тремя разными способами
Методы определения КТП
Существует 2 метода определения КТП:
- Стационарный – предполагает работу с параметрами, которые не будут изменяться в течение длительного времени или изменяющиеся незначительно. Преимущество этого метода в высокой точности вычисления результата. К недостаткам относится сложность регулировки эксперимента, большое количество используемых термопар, а также длительность затраченного времени на подготовку и проведение опыта. Этот метод подходит для вычисления КТП жидкостей и газов, если не учитывать передачу энергии конвекцией и излучением.
- Нестационарный – визуально выглядит более простой и требует для выполнения от 10 до 30 минут. Нашла своё широкое применение из-за того, что в процессе исследования можно узнать не только КТП, но и температурную проводимость, а также теплоёмкость образца.
Для проведения анализа теплопроводности строительных материалов применяются электронные приборы, например, ИТП-МГ4 «Зонд». Такие средства для вычисления КТП отличаются рабочим диапазоном температур, а также процентом погрешности.
Видео описание
Как выполняется вычисление КТП с помощью электронного прибора, смотрите в видео:
Читайте также:
Классификация панелей для утепления фасада дома, технология их установки
Таблица тепловой эффективности материалов
Большинство сырья, которое используется при строительстве, не нуждается в самостоятельном измерении КТП. Для этого существует таблица теплопроводности материалов, которая показывает основные характеристики, требуемые для расчёта тепловой эффективности.
| Материал | Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м*градусы) | ТеплоёмкостьДж/(кг*градусы) |
| Железобетон | 2500 | 1,7 | 840 |
| Бетон на гравии или щебне из природного камня | 2400 | 1,51 | 840 |
| Керамзитобетон лёгкий | 500-1200 | 1,19-0,45 | 840 |
| Кирпич строительный | 800-1500 | 0,24-0,3 | 800 |
| Силикатный кирпич | 1000-2200 | 0,51-1,29 | 750-840 |
| Железо | 7870 | 70-80 | 450 |
| Пенополистирол Пеноплэкс | 110-140 | 0,042-0,05 | 1600 |
| Плиты минераловатные | 150-250 | 0,043-0,063 | — |
Большинство материалов отличается по своему составу. Например, теплопроводность кирпича зависит от того, из чего он сделан. Клинкерный имеет КТП от 0,8 до 1,6, а кремнезёмный 0,15. Также есть отличия по методу изготовления и стандартам ГОСТ.
Читайте также:
Преимущества и недостатки утеплителя «Изовер»
Коротко о главном
Коэффициент теплопроводности – это скорость передачи тепла через материал в течение определённого времени.
Знание КТП нужно для улучшения тепловой эффективности конструкции. Например, если она должна быстро отдавать тепло, то её нужно делать из сырья с высокой передачей энергии, а для закрытых помещений наоборот нужны дополнительные утеплители. Это поможет сэкономить деньги на отоплении.
На теплопроводность материала влияет его плотность, влажность и волокнистость.
Источник https://stroyday.ru/stroitelstvo-doma/yteplenie-doma/teploprovodnost-stroitelnyx-materialov.html
Источник https://m-strana.ru/articles/koeffitsient-teploprovodnosti/