Теплопроводность строительных материалов

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.

КТП некоторых материалов Источник pobetony.expert

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.

Вспененная древесина Источник inpromen.ru

Что нужно знать о теплопроводности пенопласта

Способность материала к теплопередаче, проводить или задерживать тепловые потоки принято оценивать коэффициентом теплопроводности. Если посмотреть на его размерность – Вт/м∙С о , то становится понятным, что это величина удельная, то есть определенная для следующих условий:

• Отсутствие влаги на поверхности плиты, то есть коэффициент теплопроводности пенопласта из справочника — это величина, определенная в идеально сухих условиях, которых в природе практически не существует, разве что в пустыне или в Антарктиде;
• Значение коэффициента теплопроводности приведено к толщине пенопласта в 1 метр, что очень удобно для теории, но как-то не впечатляет для практических расчетов;
• Результаты измерения теплопроводности и теплопередачи выполнены для нормальных условий при температуре 20 о С.

Согласно упрощенной методике, при расчетах термического сопротивления слоя пенопластового утеплителя нужно умножить толщину материала на коэффициент теплопроводности, затем умножить или разделить на несколько коэффициентов, используемых для того, чтобы учесть реальные условия работы теплоизоляции. Например, сильное обводнение материала, или наличие мостиков холода, или способ монтажа на стены здания.

Насколько теплопроводность пенопласта отличается от других материалов, можно увидеть в приведенной ниже сравнительной таблице.

На самом деле не все так просто. Для определения значения теплопроводности можно составить своими руками или использовать готовую программу для расчета параметров утепления. Для небольшого объекта обычно так и поступают. Частник или самозастройщик может вообще не интересоваться теплопроводностью стен, а уложить утепление из пенопластового материала с запасом в 50 мм, что будет вполне достаточно для самых суровых зим.

Большие строительные компании, выполняющие утепление стен на площади десятков тысяч квадратов, предпочитают поступать более прагматично. Выполненный расчет толщины утепления используется для составления сметы, а реальные значения теплопроводности получают на натурном объекте. Для этого наклеивают на участок стены несколько различных по толщине листов пенопласта и измеряют реальное термосопротивление утеплителя. В результате удается рассчитать оптимальную толщину пенопласта с точностью до нескольких миллиметров, вместо приблизительных 100 мм утеплителя можно уложить точное значение 80 мм и сэкономить немалую сумму средств.

Насколько выгодно использование пенопласта в сравнении с типовыми материалами, можно оценить из приведенной ниже диаграммы.

Теплотехнический расчет стен из различных материалов

Среди многообразия материалов для строительства несущих стен порой стоит тяжелый выбор.

Сравнивая между собой различные варианты, одним из немаловажных критериев на который нужно обратить внимание является «теплота» материала. Способность материала не выпускать тепло наружу повлияет на комфорт в помещениях дома и на затраты на отопление. Второе становится особенно актуальным при отсутствии подведенного к дому газа

Второе становится особенно актуальным при отсутствии подведенного к дому газа

Способность материала не выпускать тепло наружу повлияет на комфорт в помещениях дома и на затраты на отопление. Второе становится особенно актуальным при отсутствии подведенного к дому газа.

Теплозащитные свойства строительных конструкций характеризует такой параметр, как сопротивление теплопередаче (Ro, м²·°C/Вт).

По существующим нормам (СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.

Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003), при строительстве в Самарской области, нормируемое значение сопротивления теплопередачи для наружных стен составляет Ro.норм = 3,19 м²·°C/Вт. Однако, при условии, что проектный удельный расход тепловой энергии на отопление здания ниже нормативного, допускается снижение величины сопротивления теплопередачи, но не менее допустимого значения Ro.тр =0,63·Ro.норм = 2,01 м²·°C/Вт.

В зависимости от используемого материала, для достижения нормативных значений, необходимо выбирать определенную толщину однослойной или конструкцию многослойной стены. Ниже представлены расчеты сопротивления теплопередаче наиболее популярных вариантов конструкций наружных стен.

Расчет необходимой толщины однослойной стены

В таблице ниже определена толщина однослойной наружной стены дома, удовлетворяющая требованиям норм по теплозащите.

Требуемая толщина стены определена при значении сопротивления теплопередачи равном базовому (3,19 м²·°C/Вт).

Допустимая — минимально допустимая толщина стены, при значении сопротивления теплопередачи равном допустимому (2,01 м²·°C/Вт).

Вывод: из наиболее популярных строительных материалов, однородная конструкция стены возможна только из газобетонных и керамических блоков. Стена толщиной более метра, из керамзитобетона или кирпча, не представляется реальной.

Расчет сопротивления теплопередачи стены

Ниже представлены значения сопротивления теплопередаче наиболее популярных вариантов конструкций наружных стен из газобетона, керамзитобетона, керамических блоков, кирпича, с отделкой штукатуркой и облицовочным кирпичом, утеплением и без. По цветной полосе можно сравнить между собой эти варианты. Полоса зеленого цвета означает, что стена соответствует нормативным требованиям по теплозащите, желтого — стена соответствует допустимым требованиям, красного — стена не соответствует требованиям

Стена из газобетонного блока

Стена из керамзитобетонного блока

Стена из керамического блока

Стена из силикатного кирпича

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.

Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться

Температура материала

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

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

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Понятие теплопроводности на практике

Теплопроводность учитывается на этапе проектирования здания

При этом берется во внимание способность материалов удерживать тепло. Благодаря их правильному подбору жильцам внутри помещения всегда будет комфортно

Во время эксплуатации будут существенно экономиться денежные средства на отопление.

Утепление на стадии проектирования является оптимальным, но не единственным решением. Не составляет трудности утеплить уже готовое здание путем проведения внутренних или наружных работ. Толщина слоя изоляции будет зависеть от выбранных материалов. Отдельные из них (к примеру, дерево, пенобетон) могут в некоторых случаях использоваться без дополнительного слоя термоизоляции. Главное, чтобы их толщина превышала 50 сантиметров.

Особенное внимание следует уделить утеплению кровли, оконных и дверных проемов, пола. Сквозь эти элементы уходит больше всего тепла

Зрительно это можно увидеть на фотографии в начале статьи.

Как делать теплотехнический расчет стен дома

Проведение данных подсчетов должно помочь узнать, одинаковы ли сооружения предъявляемым требования со стороны теплозащиты. Определяет качество создаваемых микроклиматических условий в помещение. Справляется ли система отопления с получением необходимого уровня теплового комфорта.

Чтобы добиться оптимальных условий должен быть создан балансирующий температурный режим между внутренними ограждающими конструкциями и помещением. Если он не воссоздан, то все тепло будет уходить в эти зоны, а до основной жилой части не дойдет.

В результате расчетов получают лучшие варианты для размеров стены, перекрытых по толщине, при этом вычисляются минимальный и максимальный показатель. В итоге соблюдения данных результатов, много лет помещение не будет перемерзать, а также перегреваться.

Чтобы добиться оптимальных условий должен быть создан балансирующий температурный режим между внутренними ограждающими конструкциями и помещением.

Основные параметры необходимые для выполнения расчетов

Теплопередача вычисляется с учетом целого ряда параметров, без которых получить правильные цифры не получится. То, какими они будут, определяет нижеописанные характеристики:

• Предназначение конструкции и ее вид;
• Ориентиры конструкционных ограждений по вертикали соответственно направлению по сторонам света;
• Географическое местоположение планируемого дома;
• Размеров сооружения, сколько этажей будет, общая площадь;
• Виды окон и дверей, которые будут установлены, также их размеры;
• Тип отопления и его технические особенности;
• Сколько людей постоянно будут проживать в данном здании;
• Из какого типа материала, выполненные вертикальные и горизонтальные конструкции, служащие ограждением;
• Вид перекрытие последнего этажа;
• Наличие или отсутствие горячего водоснабжения;
• Какой тип оборудования будет вентилировать дом.

Теплопередача вычисляется с учетом целого ряда параметров, без которых получить правильные цифры не получится.

Иные критерии подбора утеплителей

Теплоизоляционное покрытие обеспечивает снижение теплопотерь на 30-40 %, повышает прочность несущих конструкций из кирпича и металла, сокращает уровень шума и не забирает полезную площадь постройки. При выборе утеплителя помимо теплопроводности нужно учитывать другие критерии.

Объемный вес

Вес и плотность минваты влияет на качество утепления

Данная характеристика связана с теплопроводностью и зависит от типа материала:

• Минераловатные продукты отличаются плотностью 30-200 кг/м3, поэтому подходят для всех поверхностей строения.
• Вспененный полиэтилен имеет толщину 8-10 мм. Плотность без фольгирования равняется 25 кг/м3 с отражающей основой – около 55 кг/м3.
• Пенопласт отличается удельным весом от 80 до 160 кг/м3, а экструдированный пенополистирол – от 28 до 35 кг/м3. Последний материал является одним из самых легких.
• Полужидкий напыляемый пеноизол при плотности 10 кг/м3 требует предварительного оштукатуривания поверхности.
• Пеностекло имеет плотность, связанную со структурой. Вспененный вариант характеризуется объемным весом от 200 до 400 кг/м3. Теплоизолят из ячеистого стекла – от 100 до 200 м3, что делает возможным применение на фасадных поверхностях.

Способность держать форму

Плиты и пенополиуретан имеют одинаковую степень жесткости, хорошо выдерживают форму

Производители не указывают формостабильность на упаковке, но можно ориентироваться на коэффициенты Пуассона и трения, сопротивления изгибам и сжатиям. По стабильности формы судят о сминаемости или изменении параметров теплоизоляционного слоя. В случае деформации существуют риски утечки тепла на 40 % через щели и мосты холода.

Формостабильность стройматериалов зависит от типа утеплителя:

• Вата (минеральная, базальтовая, эко) при укладке между стропилами расправляется. За счет жестких волокон исключается деформация.
• Пенные виды держат форму на уровне жесткой каменной ваты.

Паропроницаемость

Определяет «дышащие» свойства материала – способность к пропусканию воздуха и пара. Показатель важен для контроля микроклимата в помещении – в законсервированных комнатах образуется больше плесени и грибка. В условиях постоянной влажности конструкция может разрушаться.

По степени паропроницаемости выделяют два типа утеплителей:

• Пены – изделия, для производства которых применяется технология вспенивания. Продукция вообще не пропускает конденсат.
• Ваты – теплоизоляция на основе минерального или органического волокна. Материалы могут пропускать конденсат.

Горючесть

Показатель, на который ориентируются при строительстве наземных частей жилых зданий. Классификация токсичности и горючести указана в ст. 13 ФЗ № 123. В техническом регламенте выделены группы:

• НГ – негорючие: каменная и базальтовая вата.
• Г – возгораемые. Материалы категории Г1 (пенополиуретан) отличаются слабой возгораемостью, категории Г4 (пенополистирол, в т.ч. экструдированный) – сильногорючие.
• В – воспламеняемые: плиты из ДСП, рубероид.
• Д – дымообразующие (ПВХ).
• Т – токсичные (минимальный уровень – у бумаги).

Звукоизоляция

Характеристика, связанная с паропроницаемостью и плотностью. Ваты исключают проникновение посторонних шумов в помещении, через пены проникает больше шума.

У плотных материалов лучше шумоизоляционные свойства, но укладка осложняется толщиной и весом. Оптимальным вариантом для самостоятельных теплоизоляционных работ будет каменная вата с высоким звукопоглощением. Аналогичные показатели – у легкой стекловаты или базальтового утеплителя со скрученными длинными тонкими волокнами.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность

Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.

Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться

Основные параметры, от которых зависит величина теплопроводности

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

Пористая структура материала говорит о том, что подобное строение неоднородно, а поры наполнены воздухом. Тепловые массы, перемещаясь через такие прослойки, теряют минимум своей энергии. Поэтому пенобетон именно с замкнутыми порами считается хорошим теплоизолятором. Замкнутые поры пенобетона наполнены воздухом, который по праву считается лучшим теплоизолятором
Повышенная плотность материала гарантирует более тесную взаимосвязь частиц друг с другом. Соответственно, уравновешивание температурного баланса происходит намного быстрее. По этой причине плотный материал обладает большим коэффициентом проводимости тепла. Поэтому железобетон считается одним из самых «холодных» материалов. Высокая плотность даёт хорошую прочность железобетону, но также и «обделяет» его теплоэффективностью
Влажность – злокачественный фактор, повышающий скорость прохождения тепла

Поэтому так важно качественно произвести гидроизоляцию необходимых узлов здания, грамотно организовать вентиляцию и использовать максимально инертные к намоканию строительные материалы.

«Холодно, холодно и сыро. Не пойму, что же в нас остыло…» Даже Согдиана знает о том, что сырость и холод − вечные соседи, от которых не спрячешься в тёплом свитере

Зная, что такое проводимость тепла, и какие факторы на неё влияют, можно смело пробовать применять свои знания для расчётов будущих строительных конструкций. Для этого нужно знать коэффициенты используемых материалов.

Коэффициент теплопроводности

Потеря тепла в доме неизбежна. Она происходит постоянно, когда температура снаружи меньше, чем в помещении. А вот ее интенсивность – это переменная величина. Она зависит от множества факторов, главными среди которых являются:

• Площадь поверхностей, участвующих в теплообмене (крыша, стены, перекрытия, пол).
• Показатель теплопроводности строительных материалов и отдельных элементов здания (окна, двери).
• Разница между температурами на улице и внутри дома.
• И другие.

Для количественной характеристики теплопроводности строительных материалов используют специальный коэффициент. Используя этот показатель, можно довольно просто рассчитать необходимую теплоизоляцию для всех частей дома (стены, крыша, перекрытия, пол). Чем выше коэффициент теплопроводности строительных материалов, тем больше интенсивность потери тепла. Таким образом, для постройки теплого дома лучше применять материалы с более низким показателем этой величины.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов, как и любых других веществ (жидких, твердых или газообразных), обозначается греческой буквой λ. Единицей его измерения является Вт/(м*°C). При этом расчет ведется на один квадратный метр стены толщиной в один метр. Разница температур здесь берется 1°. Практически в любом строительном справочнике имеется таблица теплопроводности строительных материалов, в которой можно посмотреть значение этого коэффициента для различных блоков, кирпичей, бетонных смесей, пород дерева и других материалов.

Приложение А (обязательное)

Таблица А.1

Ключевые слова: строительные материалы и изделия, теплофизические характеристики, расчетные значения, теплопроводность, паропроницаемость

Таблица теплопроводности материалов на Пли-