Теплопроводность строительных материалов: какой материал самый энергоэффективный

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.

Показатели теплопроводности

Любой элемент в природе имеет различную степень проводимости. Тепло проходит сквозь него в зависимости от скорости движения частиц, которые способны передать температурные колебания. Чем частицы ближе находятся одна к другой, тем теплообмен будет проходить быстрее. Получается, что чем более плотный материал, тем быстрее он будет нагреваться или остывать. Плотность является основным фактором теплопередачи, показывая ее интенсивность.
Таблица с данными для камня

Выражается данный показатель коэффициентом теплопроводности. Обозначение буквенное производится символом «λ». Единица измерения Вт/(м*Со). Чем больше численные данные этого коэффициента, тем лучше материал проводит тепло. Существует величина, обратная проводимости тепла, которая называется тепловое термическое сопротивление. Единица измерения: м2*Со/Вт. Буквенное обозначение «R».

Данные по регионам

Нормируемое сопротивление можно посмотреть в справочниках

Важно придерживаться норм, чтобы не пришлось дополнительно утеплять дом, так как холод легко проникает сквозь стены. Правильному теплообмену, такому, какой бы подходил для данного региона, должно предшествовать утепление стен и верное использование материалов

Значения по регионам

Таблица теплопроводности материалов на По-Пр

Тепловое сопротивление конструкций

Все внешние стены, двери, окна, крыша являются ограждающей конструкцией. И так как они защищают дом от холода по-разному (имеют различный коэффициент теплопроводности), то для них индивидуально рассчитывается сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции. К таким конструкциям можно отнести и внутренние стены, перегородки и перекрытия, если в помещениях имеется разность температур. Здесь имеются в виду помещения, в которых разность температур значительная. К ним можно отнести следующие неотапливаемые части дома:

• Гараж (если он непосредственно примыкает к дому).
• Прихожая.
• Веранда.
• Кладовая.
• Чердак.
• Подвал.

В случае если эти помещения не отапливаются, то стену между ними и жилыми помещениями необходимо также утеплять, как и наружные стены.

Тепловое сопротивление окон

В воздухе частицы, которые участвуют в теплообмене, находятся на значительном расстоянии друг от друга, а следовательно, изолированный в герметичном пространстве воздух является лучшим утеплителем. Поэтому все деревянные окна раньше делались с двумя рядами створок. Благодаря воздушной прослойке между рамами сопротивление теплопередаче окон повышается. Этот же принцип применяется для входных дверей в частном доме. Для создания подобной воздушной прослойки ставят две двери на некотором расстоянии друг от друга или делают предбанник.

Такой принцип остался и в современных пластиковых окнах. Единственное отличие – высокое сопротивление теплопередачи стеклопакетов достигается не за счет воздушной прослойки, а за счет герметичных стеклянных камер, из которых откачан воздух. В таких камерах воздух разряжен и практически нет частиц, а значит, и передавать температуру нечему. Поэтому теплоизоляционные свойства современных стеклопакетов намного выше, чем у старых деревянных окон. Тепловое сопротивление такого стеклопакета – 0,4 (м2*°C)/Вт.

Современные входные двери для частных домов имеют многослойную структуру с одним или несколькими слоями утеплителей. К тому же дополнительное теплосопротивление дает установка резиновых или силиконовых уплотнителей. Благодаря этому дверь становится практически герметичной и установка второй не требуется.

Теплопроводность

Любой материал способен проводить тепло. Этот процесс осуществляется за счет движения частиц, которые и передают изменение температуры. Чем они ближе друг к другу, тем процесс теплообмена происходит быстрее. Таким образом, более плотные материалы и вещества гораздо быстрее охлаждаются или нагреваются. Именно от плотности прежде всего зависит интенсивность теплопередачи. Она численно выражается через коэффициент теплопроводности. Он обозначается символом λ и измеряется в Вт/(м*°C). Чем выше этот коэффициент, тем выше теплопроводность материала. Обратной величиной для коэффициента теплопроводности является тепловое сопротивление. Оно измеряется в (м2*°C)/Вт и обозначается буквой R.

Приложения

В электронике

Силовые полупроводниковые элементы , как правило , установлены на радиаторах (или охладители) предназначены для содействия эвакуации энергии , произведенной на уровне анода — катодные переходов для диодов , тиристоров , симисторов и GTOs или коллектор-эмиттер для биполярных транзисторов и IGBT — транзисторов , или сток-исток для полевых МОП-транзисторов . В этом случае тепловое сопротивление между переходом и окружающим воздухом складывается из трех тепловых сопротивлений:

Тепловое сопротивление распределительной коробки

Он указан в технических характеристиках производителя. Вот несколько порядков величины термического сопротивления в зависимости от типа обычных корпусов:

• небольшие цилиндрические коробки из пластика или металла (ТО-39 / ТО-5, ТО-92 , ТО-18): от 20 до 175  К / Вт  ;
• плоские промежуточные коробки из пластика ( ТО-220 , ТО-126 / СОТ-32): от 0,6 до 6  К / Вт  ;
• Ящики для компонентов средней мощности, пластиковые или металлические (ISOTOP, ТО-247, ТОП-3, ТО-3): от 0,2 до 2  К / Вт  ;
• модульные шкафы силовых компонентов: от 0,01 до 0,5  К / Вт .

Передача тепла между переходом и корпусом происходит в основном за счет теплопроводности .

Тепловое сопротивление корпуса-радиатора

Это зависит от поверхности контакта между элементом и радиатором, а также от наличия или отсутствия электрического изолятора. Передача тепла между корпусом и радиатором происходит в основном за счет теплопроводности. Например для коробки ТО-3: без изоляции, сухой: 0,25  К / Вт  ; без изоляции, с силиконовой смазкой  : 0,15  К / Вт  ; с изолирующей слюдой 50  мкм и силиконовой смазкой: 0,35  K / Вт .

Тепловое сопротивление теплоотвод-окружающий

Передача тепла между радиатором и окружающим воздухом происходит в основном за счет конвекции  : окружающий воздух облизывает радиатор; нагретый воздух при контакте поднимается вверх, его заменяет более холодный воздух и так далее. Тепловое сопротивление зависит от поверхности радиатора, его типа (плоская, ребристая и  т. Д. ), Ориентации (вертикальные части рассеивают калории лучше, чем горизонтальные), его цвета (черный излучает больше, чем блестящий). Его можно уменьшить путем принудительной циркуляции воздуха (как в персональных компьютерах) или путем циркуляции воды в трубах, предназначенных для этой цели. Тепловое сопротивление указано производителем.

В здании

В случае теплопередачи через стену значения конвекции не учитывают подвод тепла за счет излучения. В официальных текстах приведены значения теплового сопротивления теплообмена внутренней и внешней поверхности ( и ), которые учитывают явления конвекции и излучения.
рпротивv{\ displaystyle R_ {cv}}рsя{\ displaystyle R_ {si}}рsе{\ displaystyle R_ {se}}

Термическое сопротивление материалов иногда используется в тепловых нормах, например, RT 2005 во Франции. Однако от этого количества постепенно отказываются в пользу коэффициента теплопередачи U , который также учитывает использование продукта.

Таблица теплопроводности материалов на Пли-

Сравнение теплопроводности газоблока с другими материалами

Коэффициент теплопроводности газобетонных блоков, как и любого другого материала, характеризует его возможность проводить тепло. Численно он выражается плотностью теплового потока при определённом температурном градиенте. Способность удерживать тепло зависит от влияния таких факторов, как:

1. степень паропроницаемости;
2. плотность материала;
3. способность усваивать тепло;
4. коэффициент водопоглощения.

Последнее особенно хорошо видно в представленной ниже таблице:

Как видите, чем более плотная у бетонного камня структура, тем меньше он пропускает пара и больше тепла. Поэтому, выбирая материал для строительства дома, не стоит стремиться покупать блоки с запасом прочности без необходимости.

Чем обусловлена теплопроводность

Теплопроводность газобетонного блока во многом обусловлена структурой материала, который более чем на 80% состоит из заполненных воздухом пор. Воздух является лучшим утеплителем, благодаря его присутствию меняется характеристика бетонного камня. Влажность воздуха тоже оказывает влияние на показатели теплопроводности – они будут тем ниже, чем суше климат.

Очень важно предварительно сделать теплотехнический расчет стены из газобетона – чтобы в итоге проживание в доме не оказалось некомфортным. При этом обязательно учитывают параметры применяемых для кладки блоков, округляя итоги в большую сторону до ближайшего показателя толщины.
Теплопроводность готовой стены может отличаться от теплопроводности газобетона d400, если, к примеру, блоки смонтировали не на клею, и на растворе

Затвердевшая пескоцементная стяжка имеет коэффициент теплопроводности 0,76 Вт/м*С – и это при расчётном коэффициенте газобетона этой марки 0,12 Вт/м*С!
Разница очевидна, и не надо быть великим специалистом, чтобы понять, что тепло будет уходить если не через блоки, то через их стыки. Вывод напрашивается сам: чем тоньше слой, тем лучше. А это возможно только при использовании тонкослойных клеёв.

Это же касается и армирующего пояса из тяжёлого бетона. Чтобы он не оказался одним большим мостом холода, монтировать его лучше по несъёмной опалубке. Её роль исполняют газобетонные U-блоки, внутрь которых укладывается арматура и производится уже заливка обычного бетона.

Коэффициент теплопроводности газобетона: всё познаётся в сравнении

Низкая теплопроводность газобетонных блоков даёт возможность получить экономию не только за счёт уменьшенной толщины стен и ширины фундамента, но и снизить расходы на эксплуатацию дома. Ведь для поддержания комфортной температуры в помещениях будет тратиться гораздо меньше электричества или газа.

Как этого добиться, мы расскажем чуть позже, а пока предлагаем оценить теплопроводность газоблока в сравнении с другими материалами:

Как видите, теплопроводность газобетона в сравнении с группой популярных теплоэффективных материалов стен соответствует показателю древесины. Из кладочных материалов конкурировать с ним могут только пенобетон и полистиролбетон.

Без окон без дверей, но по ГОСТам

Сначала мы не будем учитывать окна, двери и вентиляцию и будем считать, что тепло уходит только через стандартные стены и перекрытия.

Площадь всех внешних стен равна периметру, умноженному на высоту: S=34,75 x 5,54=192,5 кв.м. Площадь нижнего и верхнего перекрытий 2 х 75 = 150 кв.м.  Теплосопротивление берем по госту: R-стен=3,0; R-перекр=3,9. Потери тепла Qоб=(192,5/3+150/3,9)х50=102,63х50=5131 Вт. При -30 градусах на улице мощность отопительных приборов должна превышать 5 кВт. При цене 4 руб/кВт*час за 1 день мы потратим 492 рубля, а за месяц — аж 15000 рублей!

Люди, которые никогда не топили большой дом в лютые морозы, ужаснутся от этих цифр, те же, кто жил в плохо утепленных домах зимой, посмотрят на эти расчеты с оптимизмом и потребуют доказательств.

Теплые конструкции

Для увеличения теплового термического сопротивления следует использовать современные материалы, в которых показатели проводимости тепла максимально низкие. Количество таких материалов сейчас увеличивается. Популярными стали:

1. Деревянные конструкции. Считаются экологически чистым материалом, потому многие предпочитают вести строительство, используя именно этот компонент. Использоваться может любой вид окультуренной древесины: сруб, бревно, брус. Чаще применяют сосну, ель или кедр, показатели проводимости которых по сравнению с другими материалами достаточно низкие. Необходимо произвести защиту от атмосферных воздействий, вредителей. Материал покрывается дополнительным слоем, защищающим от негативных факторов.
2. Керамические блоки.

Пример защиты от внешнего воздуха

1. Сэндвич-панели. В последнее время этот материал становится все более популярным. Основные преимущества: дешевизна, высокие показатели сопротивляемости холоду. В материале имеется множество воздушных ячеек, иногда делают «пенную» структуру. Например, некоторые типы панелей имеют вертикальные воздушные каналы, которые неплохо защищают от холода. Другие компоненты делаются пористыми, чтобы большое количество заключенного воздуха помогло справиться с поступающим холодом.
2. Керамзитобетонные материалы. Их использование также позволит надежно защитить жилище от холода.
3. Пеноблоки. Конструкция делается пористой, но достигается это не простым вклиниванием воздушных прослоек, а путем произведения химической реакции. Иногда в цемент добавляется пористый материал, который поверху покрывается застывшим раствором.

Сопротивление композитной стены

Параллельное тепловое сопротивление

Как и в случае с электрическими цепями, полное тепловое сопротивление для установившегося режима можно рассчитать следующим образом.

Параллельное тепловое сопротивление в композитных стенах

Общее термическое сопротивление

1Rtot=1RB+1RC{\displaystyle {{1 \over R_{\rm {tot}}}={1 \over R_{B}}+{1 \over R_{C}}}}          (1)

Упрощая уравнение, получаем

Rtot=RBRCRB+RC{\displaystyle {R_{\rm {tot}}={R_{B}R_{C} \over R_{B}+R_{C}}}}          (2)

Используя термины для термического сопротивления проводимости, мы получаем

Rt,cond=L(kb+kc)A{\displaystyle {R_{t,{\rm {cond}}}={L \over (k_{b}+k_{c})A}}}          (3)

Сопротивление последовательно и параллельно

Часто целесообразно предполагать одномерные условия, хотя тепловой поток многомерен. Теперь для этого случая можно использовать две разные схемы. Для случая (а) (показанного на рисунке) мы предполагаем изотермические поверхности для нормальных к направлению x, тогда как для случая (b) мы предполагаем адиабатические поверхности, параллельные направлению x. Мы можем получить разные результаты для общего сопротивления, и соответствующие фактические значения теплопередачи заключены в скобки . Когда многомерные эффекты становятся более значительными, эти различия увеличиваются с увеличением .ртот{\ displaystyle {R_ {tot}}}q{\ displaystyle {q}}|kж-kграмм|{\ displaystyle {| k_ {f} -k_ {g} |}}

Эквивалентные тепловые схемы для последовательно-параллельной композитной стены

Радиальные системы

Сферические и цилиндрические системы можно рассматривать как одномерные из-за градиентов температуры в радиальном направлении. Стандартный метод может использоваться для анализа радиальных систем в условиях стационарного состояния, начиная с соответствующей формы уравнения теплопроводности, или альтернативный метод, начиная с соответствующей формы закона Фурье . Для полого цилиндра в установившемся режиме без тепловыделения соответствующая форма уравнения теплопроводности имеет вид

1rddr(krdTdr)={\displaystyle {{1 \over r}{d \over dr}\left(kr{dT \over dr}\right)=0}}          (4)

Где рассматривается как переменная. При рассмотрении соответствующей формы закона Фурье физическое значение рассмотрения как переменной становится очевидным, когда скорость, с которой энергия проходит по цилиндрической поверхности, представлена ​​как
k{\ displaystyle {k}}k{\ displaystyle {k}}

qr=−kAdTdr=−k(2πrL)dTdr{\displaystyle {q_{r}=-kA{dT \over dr}=-k(2\pi rL){dT \over dr}}}          (5)

Где область, перпендикулярная направлению теплопередачи. Уравнение 1 подразумевает, что величина не зависит от радиуса , из уравнения 5 следует, что скорость теплопередачи является постоянной в радиальном направлении.
Азнак равно2πрL{\ displaystyle {A = 2 \ pi rL}}kр(dТdр){\ displaystyle {kr (dT / dr)}}р{\ displaystyle {r}}qр{\ displaystyle {q_ {r}}}

Полый цилиндр с условиями конвективной поверхности по теплопроводности

Чтобы определить распределение температуры в цилиндре, уравнение 4 может быть решено с применением соответствующих граничных условий . В предположении, что постоянный
k{\ displaystyle {k}}

T(r)=C1ln⁡r+C2{\displaystyle {T(r)=C_{1}\ln r+C_{2}}}          (6)

Используя следующие граничные условия, можно вычислить
константы иC1{\ displaystyle {C_ {1}}}C2{\ displaystyle {C_ {2}}}

T(r1)=Ts,1{\displaystyle {T(r_{1})=T_{s,1}}}          and          T(r2)=Ts,2{\displaystyle {T(r_{2})=T_{s,2}}}

Общее решение дает нам

Ts,1=C1ln⁡r1+C2{\displaystyle {T_{s,1}=C_{1}\ln r_{1}+C_{2}}}          and          Ts,2=C1ln⁡r2+C2{\displaystyle {T_{s,2}=C_{1}\ln r_{2}+C_{2}}}

Решение для и и подставляя в общее решение, получим
C1{\ displaystyle {C_ {1}}}C2{\ displaystyle {C_ {2}}}

T(r)=Ts,1−Ts,2ln⁡(r1r2)ln⁡(rr2)+Ts,2{\displaystyle {T(r)={T_{s,1}-T_{s,2} \over {\ln(r_{1}/r_{2})}}\ln \left({r \over r_{2}}\right)+T_{s,2}}}          (7)

Логарифмическое распределение температуры схематично показано на вставке эскиза рисунка. Предполагая, что распределение температуры, уравнение 7, используется с законом Фурье в уравнении 5, скорость теплопередачи может быть выражена в следующей форме

Q˙r=2πLk(Ts,1−Ts,2)ln⁡(r2r1){\displaystyle {{\dot {Q}}_{r}={2\pi Lk(T_{s,1}-T_{s,2}) \over \ln(r_{2}/r_{1})}}}

Наконец, для радиальной проводимости в цилиндрической стенке тепловое сопротивление имеет вид

Rt,cond=ln⁡(r2r1)2πLk{\displaystyle {R_{t,\mathrm {cond} }={\ln(r_{2}/r_{1}) \over 2\pi Lk}}} such that r2>r1{\displaystyle {r_{2}>r_{1}}}

Теплопроводность.

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем «абстрактный дом». В «абстрактном доме» стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен  постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Как выполнить подсчеты на онлайн калькуляторе

Чтобы получить нужные величины, стоит ввести в онлайн калькулятор регион, в котором будет эксплуатироваться постройка, выбранный материал и предполагаемую толщину стен.

В сервис занесены сведения по каждой отдельной климатической зоне:

• t воздуха;
• средняя температура в отопительный сезон;
• длительность отопительного сезона;
• влажность воздуха.

Температура и влажность внутри помещения — одинаковы для каждого региона

Сведения, одинаковые для всех регионов:

• температура и влажность воздуха внутри помещения;
• коэффициенты теплоотдачи внутренних, наружных поверхностей;
• перепад температур.

Чтобы дом был теплым, и в нем сохранялся здоровый микроклимат, при выполнении строительных работ нужно обязательно выполнять расчет теплопроводности материалов стены. Это несложно сделать самостоятельно или воспользовавшись онлайн калькулятором в интернете. Подробнее о том, как пользоваться калькулятором, смотрите в этом видео:

Для гарантировано точного определения толщины стен можно обратиться в строительную компанию. Ее специалисты выполнят все необходимые расчеты согласно требованиям нормативных документов.