Теплопроводность можно трактовать как количественную меру способности материала проводить тепловую энергию. В этом контексте, если проводить аналогию с электрическими системами, то теплопроводность будет подобна электропроводности.
Коэффициент теплопроводности материалов
В последние годы при строительстве новых объектов и реконструкции существующих зданий инженерные решения все чаще фокусируются на энергоэффективности. В свете стабильных цен на топливо эта задача приобретает особую значимость. Нарастающая необходимость в экономии ресурсов требует тщательной проработки составов и толщины используемых строительных материалов в ограждающих конструкциях, таких как стены, полы, потолки и крыши. Поэтому знание теплопроводности материалов становится ключевым фактом, который необходимо учитывать на этапе проектирования. Это включает в себя не только выбор основных строительных материалов, но и определение оптимальных характеристик утеплителей, а также толщины каждого слоя конструкции.
- 1 Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
- 2 Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
- 3 Таблица теплопроводности строительных материалов
- 4 Как рассчитать толщину стен
- 4.1 Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев
- 4.2 Пример расчета толщины утеплителя
Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
Выбор строительных материалов для возведения зданий требует внимания к их ключевым физическим свойствам. Среди них теплопроводность представляет собой одно из наиболее значимых свойств и обозначается коэффициентом теплопроводности. Это значение характеризует количество тепла, которое материал способен передать за единицу времени. Основное правило здесь таково: чем ниже этот коэффициент, тем менее эффективно материал проводит тепло. И наоборот, высокий коэффициент обозначает хорошую проводимость тепла.
Материалы с низкой теплопроводностью, как правило, применяются в теплоизоляции, а те, что обладают высокой теплопроводностью, используются для эффективной передачи или рассеивания тепла. Например, радиаторы часто изготавливаются из алюминия, меди или стали, потому что эти материалы имеют высокий коэффициент теплопроводности, хорошо передавая тепло. В случае многослойной конструкции, например, стены, ее общая теплопроводность вычисляется как сумма коэффициентов теплопроводности всех использованных материалов. В расчет включается теплопроводность каждого слоя «пирога», что позволяет в конечном итоге получить общую теплоизоляционную эффективность всего здания (стены, пола, крыша).
Существуют также термины, такие как термическое сопротивление, которое демонстрирует способность материала противостоять тепловому потоку. Это свойство является обратным теплопроводности. Таким образом, если материал имеет высокое термическое сопротивление, он может использоваться для теплоизоляции. Примеры таких изоляционных материалов включают минеральную вату, базальтовую вату, пенополистирол и другие. В то же время для эффективного распределения тепла используются материалы с низким термическим сопротивлением, например, радиаторы, изготовленные из алюминия или стали, поскольку они обладают хорошей теплопроводностью.
Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
Для обеспечения комфортной температуры в доме зимой и прохладной в летний период, теплопроводность стен, пола и потолка должна соответствовать определенным стандартам, которые рассчитываются для каждого региона отдельно. Структура «пирога» стен, пола и потолка, а также толщина используемых материалов учитываются таким образом, чтобы их общее значение соответствовало (или превышало) рекомендованное для данной климатической зоны.
При выборе материалов важно учитывать, что некоторые из них (не все) могут иметь лучшую теплопроводность при высокой влажности. Если такая ситуация возможна в течение длительного времени, необходимо учитывать данные коэффициенты в расчетах. В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности основных теплоизоляционных материалов.
| Тип материала | Значения теплопроводности в Вт/(м-°C) | ||
|---|---|---|---|
| В сухом состоянии | При нормальной влажности | При высокой влажности | |
| Шерстяной войлок | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
| Каменная вата 25-50 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,045 |
| Каменная вата 40-60 кг/м3 | 0,035 | 0,041 | 0,044 |
| Каменная вата 80-125 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,045 |
| Каменная вата 140-175 кг/м3 | 0,037 | 0,043 | 0,0456 |
| Каменная 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 |
| Пенопласт (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, легкий бетон на цементном растворе, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Пенобетон, легкий бетон на цементном растворе, 400 кг/м3 | 0,11 | 0,14 | 0,15 |
| Пенобетон, легкий бетон на известковом растворе, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Пенобетон, легкий бетон на известковом растворе, 400 кг/м3 | 0,13 | 0,22 | 0,28 |
| Пеностекло, дробленое, 100 — 150 кг/м3 | 0,043-0,06 | ||
| Пеностекло, дробленое, 151 — 200 кг/м3 | 0,06-0,063 | ||
| Пеностекло, дробленое, 201 — 250 кг/м3 | 0,066-0,073 | ||
| Пеностекло, дробленое, 251 — 400 кг/м3 | 0,085-0,1 | ||
| Пеноблоки 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 |
| Пенополиэтилен со сшивкой | 0,031-0,038 | ||
| Вакуум | 0 | ||
| Воздух +27°C. 1 атм | 0,026 | ||
| Ксенон | 0,0057 | ||
| Аргон | 0,0177 | ||
| Аэрогели (аэрогели из осины) | 0,014-0,021 | ||
| Шлаковая вата | 0,05 | ||
| Вермикулит | 0,064-0,074 | ||
| Вспененная резина | 0,033 | ||
| Пробковые плиты 220 кг/м3 | 0,035 | ||
| Пробковые плиты 260 кг/м3 | 0,05 | ||
| Базальтовый мат, холст | 0,03-0,04 | ||
| Конопля | 0,05 | ||
| Перлит, 200 кг/м3 | 0,05 | ||
| Перлит, вспученный, 100 кг/м3 | 0,06 | ||
| Изоляционные плиты из льна, 250 кг/м3 | 0,054 | ||
| Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 | 0,052-0,145 | ||
| Гранулированная пробка, 45 кг/м3 | 0,038 | ||
| Минеральная пробка на основе битумной пробки, 270-350 кг/м3 | 0,076-0,096 | ||
| Пробковый пол, 540 кг/м3 | 0,078 | ||
| Техническая пробка, 50 кг/м3 | 0,037 | ||
Содержание
В установившемся состоянии плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:
(T),» width=»» height=»» />
где вектор плотности теплового потока указывает на количество энергии, проходящей через единицу площади перпендикулярно каждой оси в единицу времени, а также непременный коэффициент теплопроводности (иногда просто называемый теплопроводностью). Это утверждение также основано на законе Фурье для теплопроводности.
В интегральной форме это выражение будет выглядеть следующим образом (при постоянном тепловом потоке от одной стороны параллелепипеда к другой):
,» width=»» height=»» />
где — площадь поперечного сечения параллелепипеда, длина которого соответствует расстоянию между его поверхностями.
Коэффициент теплопередачи измеряется в Вт/(м-К).
Коэффициент теплопроводности вакуума
Коэффициент теплопередачи вакуума близок к нулю, и с увеличением глубины вакуума он стремится к нулевому значению. Это обстоятельство связано с низкой концентрацией частиц, способных передавать тепло в вакууме. Однако в условиях вакуума тепло все же может передаваться излучением. Чтобы минимизировать потери тепла, стенки термоса, например, изготавливаются двойными и металлическими, так как такие поверхности более эффективно отражают излучение, а воздух между ними подвергается откачке.
Связь с электропроводностью
Взаимосвязь коэффициентов теплопроводности в металлах определяется законом Видемана-Франца:
=\frac<\pi^2>\left(\frac\right)^2T,» width=»» height=»» />
где — заряд электрона.
Коэффициент теплопроводности газов
Коэффициент теплопередачи для газов определяется следующим образом:
d^>\sqrt>» width=»» height=»» />
где i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5, для одноатомного i=3), k — постоянная Больцмана, M — молекулярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из этой формулы следует, что тяжелые одноатомные (инертные) газы обладают самой низкой теплопроводностью, в то время как легкие многоатомные газы имеют наивысшую теплопроводность (как видно на практике, водород имеет одну из самых высоких теплопроводностей среди газов, в то время как радон и другие инертные газы, такие как ксенон, имеют самую низкую).
Обобщения закона Фурье
Следует отметить, что в описаниях, основанных на законе Фурье, не учитываются инерционные аспекты теплопроводности, то есть в данной модели предполагается, что изменение температуры в определенной точке немедленно влияет на весь объект. Закон Фурье не применим к высокочастотным процессам, и, следовательно, не может быть использован в ситуациях, в которых разложение Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники. К примеру, это касается процессов, связанных с распространением ультразвука, ударными волнами и т.д. Введение концепции инерции в уравнения переноса было предложено Максвеллом, а в 1948 году Каттанео предложил модернизированную версию закона Фурье с учетом члена релаксации:
<\partial t>=-\left(\mathbf+\varkappa\,\nabla T\right).» width=»» height=»» />
где время релаксации описывает динамику теплопередачи.
Коэффициенты теплопроводности различных веществ
| Материал | Теплопроводность, Вт/(м-К) |
|---|---|
| Графит | (4840±440) — (5300±480) |
| Алмаз | 1001-2600 |
| Графит | 278,4-2435 |
| карбид кремния | 490 |
| Серебро | 430 |
| Медь | 382-390 |
| Оксид бериллия | 370 |
| Золото | 320 |
| Алюминий | 202-236 |
| Нитрид алюминия | 200 |
| Нитрид бора | 180 |
| Кремний | 150 |
| Латунь | 97-111 |
| Хром | 93,7 |
| Железо | 92 |
| Платина | 70 |
| Олово | 67 |
| Оксид цинка | 54 |
| Сталь | 47 |
| Кварц | 8 |
| Стекло | 1-1,15 |
| КПТ-8 | 0,7 |
| Водав нормальных условиях | 0,6 |
| Строительный кирпич | 0,2-0,7 |
| Силиконовое масло | 0,16 |
| Вспененный бетон | 0,14-0,3 |
| Дерево | 0,15 |
| Нефтяные масла | 0,12 |
| Свежий снег | 0,10-0,15 |
| Хлопковая шерсть | 0,055 |
| Воздух (300 K, 100 кПа) | 0,026 |
| Пустота (абсолютная) | 0 (строгий) |
| Материал | Теплопроводность, Вт/(м-К) |
|---|---|
| Кальций | 201 |
| Бериллий | 201 |
| Вольфрам | 173 |
| Магний | 156 |
| Родий | 150 |
| Иридиум | 147 |
| Молибден | 138 |
| Рутений | 117 |
| Хром | 93,9 |
| Осмий | 87,6 |
| Титан | 21,9 |
| Тефлон | 0,25 |
| Бумага | 0,14 |
| Полистирол | 0,082 |
| Шерсть | 0,05 |
| Минеральная вата | 0,045 |
| Пенополистирол | 0,04 |
| Стекловата | 0,036 |
| Пробковое дерево | 0,035 |
| Пенопластовая изоляция | 0,035 |
| Вспененная резина | 0,03 |
| Аргон | 0,0177 |
| Воздушный гель | 0,017 |
| Ксенон | 0,0057 |
В практических расчетах следует обязательно учитывать теплопроводность с учетом влияния конвекции молекул и излучения. Например, если изоляция выполнена в условиях полного вакуума, тепло может все равно передаваться за счет излучения (так, как это делает солнце или инфракрасные нагреватели). Кроме того, газ или жидкость могут обмениваться теплом, нагревая или охлаждая слои, таким образом, поддерживая благоприятный микроклимат (например, с помощью фенов или тепловентиляторов). Также стоит упомянуть, что в твердых телах фононы могут «перепрыгивать» из одного материала в другой через субмикронные зазоры, обеспечивая тем самым передачу звуковых колебаний и тепла, даже если эти промежутки составляют идеальный вакуум.
От чего зависит величина теплопроводности?
Наличие определенных характеристик влияет на теплопроводность строительных материалов. Таблица коэффициентов, представленных в нашем обзоре, ясно демонстрирует эти зависимости.
На представленные значения окажут влияние следующие параметры:
- более высокая плотность способствуют прочному взаимодействию структурных частиц между собой, что приводит к более быстрой передаче тепла. Как правило, чем плотнее материал, тем лучше его теплопроводность;
- пористость сырья свидетельствует о его неоднородности. При прохождении тепловой энергии через пористую структуру тепло будет рассеиваться менее эффективно, так как внутри находятся лишь воздух, который имеет минимальный коэффициент теплопередачи. Если порам присущи небольшие размеры, то это затрудняет передачу тепла, но при этом увеличивает общую теплопроводность;
- если уровень влажности повышен, это может привести к значительному увеличению коэффициента теплопроводности, особенно при промокании стен здания.
Использование значений теплопроводности на практике
Материалы, которые применяются в строительстве, могут классифицироваться как конструкционные и изоляционные.
Строительные материалы, которые служат основой для монтажа потолков, стен и крыш, как правило, обладают высокой теплопроводностью. Если не используются теплоизоляционные материалы, для сохранения тепла в здании потребуется устанавливать эти слои в большой толщине.
Поэтому для строительства домов важно применять дополнительные теплоизоляционные материалы. Значение теплопроводности строительных материалов может оказать огромное влияние на эффективность конструкций. Все значения приведены в таблице.
Полезная информация! Самостоятельные здания, построенные из дерева или пенобетона, зачастую не требуют дополнительных изоляционных мероприятий. Однако даже с использованием материалов с низкой теплопроводностью, толщина конструкции не должна быть менее 50 см.
Особенности теплопроводности готового строения
При проектировании будущего жилища всегда следует принимать во внимание возможные потери тепла, так как большинство этого энергоресурса уходит через двери, окна, стены, потолки и полы.
В случае, если потенциальные потери тепла не учитываются, это может привести к тому, что ваш дом окажется холодным в зимний период. Рекомендуется использовать дополнительные теплоизоляционные методы для кирпичных, бетонных и каменных зданий.
Полезный совет! Прежде чем осуществить утепление своего жилища, тщательно проанализируйте, действительно ли вы используете подходящие утеплительные материалы. В таких случаях даже повышенная влажность не окажет негативного влияния на теплоизоляционные качества помещения.
Разновидности утепления конструкций
Чтобы здание оставалось теплым, требуется оптимальное сочетание прочных материалов и качественного теплоизоляционного слоя. Возможные конструкции могут включать:
- При возведении каркасного сооружения используется твердая древесина, обеспечивающая жесткость всей структуры здания. Утепляющие материалы укладываются между каркасными стойками. В некоторых случаях также производится внешнее утепление;
- Строительные объекты из стандартных материалов, таких как шлакоблоки или кирпич, часто требуют утепления с наружной стороны.
Коэффициент теплопроводности материалов
Теплопроводность.
Что такое теплопроводность? С физической точки зрения это характеристика, определяющая молекулярный перенос тепла между телами, находящимися в непосредственном контакте, или частицами одного и того же вещества при различных температурах, в процессе чего происходит перераспределение кинетической энергии этих частиц (молекул, атомов, свободных электронов).
Иными словами, теплопроводность – это способность того или иного материала передавать тепловую энергию. При наличии разницы температур внутри вещества тепловая энергия перемещается от более горячей его части к более холодной. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура равномерно не распределится внутри объекта. Такой процесс возможен как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.
Второй аспект теплопроводности, имеющий отношение к передаче тепловой энергии, использован в практических приложениях, таких как теплоизоляция зданий. К примеру, возьмем условный «абстрактный дом», в который установлена система отопления, поддерживающая стабильную внутреннюю температуру 25 °C, в то время как снаружи фиксируется температура в 0 °C. Наглядно видно, что если отопление остановить, через некоторое время температура внутри дома также упадет до 0 °C. Накопленное тепло (тепловая энергия) будет покидать пространство через стены.
Итак, чтобы поддерживать комфортные условия, отопительная система должна работать постоянно, обеспечивая вывод тепла, которое непрерывно утечет через стены.
Коэффициент теплопроводности.
Количество тепла, проходящего через стену (инжиниринг термины: скорость теплопередачи из-за теплопроводности), зависит от разницы температур между внутренней и внешней средой (внутри и снаружи), площади поверхности стен и теплофизических свойств самого стенового материала.
Обратите внимание! Значения коэффициента теплопроводности материала приведены при условии толщины в 1 метр. Чтобы узнать коэффициент теплопроводности материала для другого значительного значения, необходимо разделить основной коэффициент на толщина материала в метрах.
Термин «теплопроводность материала» активно применяется в строительных нормативах и расчетах. Это значение, как правило, обратно пропорционально теплопроводности. Например, если теплопроводность пенопласта при толщине 10 см составляет 0,37 Вт/(м2*К), тогда тепловое сопротивление получится 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.
Коэффициент теплопроводности материалов.
Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых строительных материалов.
Коэффициент теплопроводности материалов
Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
При выборе строительных материалов крайне важно обращать внимание на их физические характеристики. К числу наиболее значимых параметров относится теплопроводность, обозначаемая коэффициентом теплопроводности. Этот коэффициент измеряет объем тепла, который материал может передать за определенный временной интервал. Это означает, что чем ниже коэффициент, тем хуже материал способен проводить тепло. Напротив, чем выше значение, тем быстрее происходит его отвод тепла.
Данная диаграмма иллюстрирует различия в теплопроводности материалов.
Теплопроводность конкретного строительного материала показывает количество тепла, которое он может пропустить в единицу времени.
Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
Для создания комфортного внутреннего климата в доме зимой и поддержания прохлады летом, коэффициенты теплопроводности, определяющие эффективность стен, пола и потолка, необходимо поддерживать на определенном уровне, который выверяется для каждого региона индивидуально. Структура «пирога» стен, пола и потолка и толщина применяемых материалов указываются с учетом того, чтобы их итоговая сумма соответствовала или превышала рекомендованную для конкретного участка.
Отношение коэффициента теплопроводности современных строительных решений для ограждающих конструкций.
При выборе материалов стоит учитывать, что некоторые из них (не все) обладают лучшими свойствами теплопроводности в условиях повышенной влажности. Если такая ситуация способна длительно сохраняться, следует принять во внимание соответствующие изменения в расчетах. Коэффициенты теплопроводности основных теплоизоляционных материалов можно найти в таблице ниже.
Некоторые данные были извлечены из нормативных документов, описывающих характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (Приложение 2)). Материалы, не попадающие под действие стандартов, можно найти на сайтах их производителей. В силу отсутствия единых стандартов, эти показатели могут существенно различаться у различных производителей. Поэтому при покупке стоит обращать внимание на характеристики конкретного материала.
Таблица теплопроводности строительных материалов
Вы можете сравнительно исследовать широкий спектр материалов.
Дерево, как строительный материал, имеет относительно низкий коэффициент теплопроводности. В таблице ниже приведены средние значения для различных пород древесины. При выборе всегда обращайте внимание на их плотность и коэффициент теплопроводности. Не все эти параметры могут быть четко указаны в законодательных документах.
Металлы обладают высокой теплопроводностью, что нередко приводит к образованию холода в конструкции. Это обстоятельство важно учитывать и исключить, избегая прямого контакта, применяя специальные теплоизоляционные промежутки и прокладки, которые часто называют терморазрывами. Теплопроводность различных металлов указана в следующей таблице.
| Имя | Теплопроводность | Имя | Теплопроводность |
|---|---|---|---|
| Медь | 22-105 | Алюминий | 202-236 |
| Медь | 282-390 | Латунь | 97-111 |
| Серебро | 429 | Железо | 92 |
| Олово | 67 | Сталь | 47 |
| Золото | 318 |
Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость
В подробной таблице представлены коэффициенты теплопроводности строительных материалов, а также их плотность и удельная теплоемкость при обычных условиях (атмосферное давление и температура 20-50°C, если не указано иное). Значения приводятся для более чем 400 материалов! Важно учитывать теплопроводность строительных материалов, представленных в таблице, ведь это свойство, наряду с плотностью, остается одним из наиболее значительных аспектов. Теплопроводность особое значение приобретает для материалов, используемых в качестве теплоизоляции зданий. Теплопроводность этих материалов во многом зависит от их характеристик, таких как пористость и плотность. Общая зависимость такова: чем ниже плотность, тем ниже будет теплопроводность, что особенно свойственно легким пористым материалам (информация о плотности различных стройматериалов, металлов, сплавов и других веществ также включает в себя подробные сведения о плотности). Например, в нашей таблице можно встретить строительные материалы с низкими значениями теплопроводности, такие как аэрогели (от 0,014 Вт/(м-рад)), стекловата, пенополистирол и пенорезина (от 0,03 Вт/(м-рад)), а также газобетон и пенобетон (от 0,08 Вт/(м-рад)).
Теплопроводность – это процесс передачи тепловой энергии от нагретых частей тела к холодным. Этот обмен происходит до тех пор, пока температура не станет однородной. Какова же теплопроводность строительных материалов?
Коэффициент теплопроводности строительных материалов — таблица!
Это количественная характеристика, определяющая способность материалов к передаче тепла, которая определяется соответствующим коэффициентом. Коэффициент равен общему количеству тепла, которое проходит через однородный материал одной и той же длины, площади поверхности и в одинаковом временном диапазоне при поддержании той же разницы температур. В системе СИ это значение преобразуется в коэффициент теплопередачи, обозначаемый как Вт/(м*К). Тепловая энергия движется через продолженные частицы материала, которые отдают часть тепла менее активным, холодным частицам при столкновении. Чем более защищены горячие частицы от холодных, тем лучше сохраняется тепло внутри материала.
Таблица теплопроводности строительных материалов.
Основная особенность изоляционных материалов и строительных элементов заключается во внутренней структуре и коэффициенте сжатия молекулярной основы сырья, из которого изготавливаются материалы. В таблицах ниже приведены значения теплопроводности строительных материалов.
Расшифровка таблицы.
В приведенной выше таблице указаны значения теплопроводности строительных материалов, а также характеристики плотности и удельной теплоемкости в сухом состоянии при атмосферном давлении и температуре 20…50 °C (если не указана иная температура). Эти значения составляют более 400 материалов!
Теплопроводность строительных материалов: какой материал самый энергоэффективный
Основной стратегией современного строительства является создание зданий с максимальной энергоэффективностью. Это значит, что при проектировании и возведении доме должно быть обеспечено создание и поддержание комфортных условий жизни при минимальных затратах энергоресурсов. Конечно, многим строителям, занимающимся постройкой собственного жилья, до достижения таких стандартов еще далеко, но стремление к этим целям обязательно необходимо.
В первую очередь необходимо минимизировать тепловые потери через конструктивные элементы здания. Для достижения этого необходимо использовать эффективную теплоизоляцию, основанную на точных теплотехнических расчетах. В идеале, надо задействовать профессионалов для планирования, однако обстоятельства часто требуют от хозяев самостоятельно заняться этой задачей. Это подразумевает наличие фундаментального понимания ключевых понятий строительной теплотехники. Важные аспекты, такие как теплопроводность строительных материалов, способы ее измерения и расчета, становятся обязательными для усвоения.
Имя вам будет легче основательно подойти к вопросу утепления своего жилища, если вы будете вооружены фактами, а не следовать лишь своим желаниям.
Что такое теплопроводность, какими единицами измерения она описывается?
Фактически, все физические тела, включая жидкости и газы, имеют способность передавать тепловую энергию. Когда какой-то объект нагревается с одной стороны, он начинает функционировать как проводник, постепенно нагреваясь и передавая тепловую энергию дальше. Тот же процесс происходит и при его охлаждении, но с обратным знаком.
Даже на уровне повседневной жизни всем очевидно, что эта способность имеет довольно значительную разницу в зависимости от материалов. Например, помешивание пищи на кухне деревянной ложкой и использование металлической ложки, которая почти сразу становится слишком горячей для удержания в руке, наглядно подтверждают это. Этот пример демонстрирует, что теплопроводность металла существенно превышает таковую у дерева.
И подобные примеры встречаются повсеместно. Например, прикоснитесь рукой к деревянной двери и к прикрепленной к ней металлической ручке. Вы ощутите, что ручка гораздо холоднее. Однако это не может быть: все предметы окружающего пространства имеют примерно одинаковую температуру. Ответ прост: металл ручки быстрее поглощает тепло тела, в результате чего она ощущается холодной.
Коэффициент теплопроводности материала
Главный редактор сайта Stroyday.ru. Инженер.
Существуют специализированные единицы, определяющие каждый материал как теплопроводники. Эта единица называется коэффициентом теплопроводности, обозначаемым греческой буквой λ, и измеряемым в Вт/(м×℃) (в такт интегрированным формулам вместо Цельсия ℃ часто используют Кельвины, K). Это значение указывает на способность материала передавать определенное количество тепла на определенном расстоянии за единицу времени. Причем сам коэффициент зависит от самого материала, т.е. не зависит от его размеров.
Эти коэффициенты рассчитывают для большинства строительных и других материалов. В дальнейшем в публикации будут представлены таблицы с данными по различным группам: растворам, бетону, кирпичу, каменной кладке, изоляционным материалам, дереву, металлам и т.д. Для их анализа достаточно будет беглого взгляда на них, чтобы увидеть, насколько разнообразными могут быть эти соотношения.
Производители строительных материалов для конкретных применений часто указывают коэффициенты теплопроводности в своих спецификациях.
Материалы же с высокой теплопроводностью, как, например, металлы, часто используются в качестве теплоотводников или теплообменников. Классическим примером будут радиаторы, эффективность которых определяется тем, насколько лучше их стенки располагают тепло от теплоносителя.
Однако с большой частью строительных материалов обстоит совершенно иная ситуация. При этом, чем ниже теплопроводность используемого для строительства материала в отношении обычных стен, тем меньше тепла будет терять здание в условиях похолодания, или тем меньшая значительная толщина стен может быть реализована при условии равных значений теплопроводности.
Для чего используются такие расчеты в практическом приложении?
Оценка эффективности имеющейся термоизоляции
Зачем же необходимо проводить расчеты теплопроводности? Какое практическое применение они имеют?
Применяя такие расчеты, можно с высокой долей уверенности оценить качество теплоизоляции вашего дома.
Для различных климатических регионов России соответствующие нормативные значения для термического сопротивления рассчитываются экспертами отдельно для стен, полов и потолков. Это подразумевает, что, если сопротивление конструкции соответствует этим стандартам, вы можете быть уверены в качестве изоляции.
Численные значения существующих стандартов сопротивления для разных конструкций новых зданий можно найти в предложенной таблице.
Если это значение оказывается недостаточным, необходимо предпринимать соответствующие меры по улучшению изоляции, дабы минимизировать теплопотери. И таким образом решать обратную задачу — использовать известную формулу (сопротивление по коэффициенту теплопроводности и его толщине) для определения необходимой толщины изоляции, которая поможет достичь желаемых показателей.
В случае, если изоляции просто нет, процесс становится довольно простым. Достаточно будет определить, какой толщины изоляционный материал потребуется для достижения стандартного значения сопротивления теплопередачи.
Определение уровня тепловых потерь
Ограничительная задача также заключается в определении термических потерь, происходящих через ограждающие конструкции здания. Такие расчеты могут быть необходимы, например, для установления необходимой производительности системы отопления. Также требуется это при выборе оптимальной модели котла для каждого помещения и для правильного размещения отопительного оборудования (радиаторов).
На практике это рутина сопротивления, описываемая формулой, которая в свою очередь учитывает разницу температур и тепло, уходящее через ограждающие конструкции здания площадью один квадратный метр.
R = D t / q
где Δ t — разница температур между двумя сторонами конструкции, ℃.
где q — удельные теплопотери, Вт.
Таким образом, имея точные данные о площади ограждающей конструкции и ее термическом сопротивлении (которые могут быть определены через толщину и коэффициент теплопередачи), а также зная условия, на которых основаны эти расчеты (например, температура воздуха в комнате и местные морозы), можно предсказать величину потери тепла через стену здания.
Q = S × D t / R
где Q — суммарные потери тепла через ограждающие конструкции здания, Вт.
Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов
Во время расчетов, связанных с цветными металлами и их сплавами, проектировщики обычно применяют справочные материалы, собранные в специальных таблицах, которые и приведены ниже.
Так в них представлен материал по теплопроводности цветных металлов и сплавов, дополнительно также указывается химический состав сплавов. Все исследования проводились в температурных диапазонах от 0 до 600 °C.
В информации, содержащейся в таких таблицах, видно, что цветные металлы с высокой теплопроводностью – это сплавы на основе магния и никеля. Минимальные значения теплопроводности характерны для никеля, инвара и еще нескольких аналогов.
На практике большинство металлов имеют достаточно высокую теплопроводность, однако некоторые показывают низкие уровни теплопроводности. К категории высокопроводящих металлов можно отнести золото, медь и ряд других. Среди металлов с низкими теплоемкостями будут олово, алюминий и т.д.
В таблице представлена информация о теплопроводности сплавов никеля.
С одной стороны, высокая теплопроводность может рассматриваться как преимущество, с другой — как недостаток. всё будет зависеть от области применения. Высокая теплопроводность, например, становится полезной притом, когда речь идет о кухонной посуде. В то же время для производства неразъемных соединений металлических компонентов используются материалы с низкой теплопроводностью. Иногда применяются целые семейства сплавов на основе олова.
Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов
Медь обойдется значительно дороже по сравнению с алюминием или латуни. Тем не менее, при относительно высоких температурах появляется ряд недостатков. Высокая проводимость данного металла требует создания особенных условий обработки. Медные заготовки следует нагревать более тщательно и аккуратно, чем стальные. Также часто бывает необходимо предварительное или боковое тепло перед началом обработок. Необходимо учесть, что медные трубочки требуют тщательной теплоизоляции; это является важным аспектом во время применения труб для создания систем теплоснабжения. Все это приводит не только к повышению стоимости монтажных работ, но и к сложности обработки. Для газовой сварки есть особые трудности. Для выполнения работ требуются более мощные инструменты. Иногда для сварки более толстых медных труб (8-10 мм) может потребоваться работа сразу нескольких горелок. В таком случае одна горелка занимается сваркой, пока другие нагревают медную трубку. Дополнительно при работе с медью может потребоваться больше расходных материалов.
Работа с медью требует использования специализированных инструментов. Например, если необходимо резать бронзовые или латунные детали толщиной 150 мм, отличительной чертой будет потребность в фрезе, способной обрабатывать также сталь с высоким содержанием хрома. При работе с медью же предельная толщина для обработки не должна превышать 50 мм.
Можно ли повысить теплопроводность меди
В последнее время группа ученых из Западной части провела ряд экспериментов по улучшению теплопроводности меди и ее сплавов. Для этого применяли медную фольгу, которая имела тонкий слой графена на ее поверхности. Для его нанесения была применена технология газового осаждения. При проведении исследования использовались разнообразные инструменты для подтверждения надежности результатов. При этом эксперименты показали, что графен может предложить одну из самых высоких теплопроводностей. Однако после его нанесения на медную платформу теплопроводность немного снизилась. Это происходит из-за нагрева меди, что приводит к увеличению зерен материал, тем самым улучшая электронную проводимость.
При нагреве меди без применения такого материала зерна будут оставаться прежними. Одним из самых основных применений меди является отвод избыточного тепла от электроники и электрических схем. С помощью графенового напыления задача может решаться более эффективно.
