Коэффициент теплопроводности материалов.
Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.
Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента.
Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда) и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии.
Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.
В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности. Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.
Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.
Материал | Коэфф. тепл. Вт/(м2*К) |
Алебастровые плиты | 0,470 |
Алюминий | 230,0 |
Асбест (шифер) | 0,350 |
Асбест волокнистый | 0,150 |
Асбестоцемент | 1,760 |
Асбоцементные плиты | 0,350 |
Асфальт | 0,720 |
Асфальт в полах | 0,800 |
Бакелит | 0,230 |
Бетон на каменном щебне | 1,300 |
Бетон на песке | 0,700 |
Бетон пористый | 1,400 |
Бетон сплошной | 1,750 |
Бетон термоизоляционный | 0,180 |
Битум | 0,470 |
Бумага | 0,140 |
Вата минеральная легкая | 0,045 |
Вата минеральная тяжелая | 0,055 |
Вата хлопковая | 0,055 |
Вермикулитовые листы | 0,100 |
Войлок шерстяной | 0,045 |
Гипс строительный | 0,350 |
Глинозем | 2,330 |
Гравий (наполнитель) | 0,930 |
Гранит, базальт | 3,500 |
Грунт 10% воды | 1,750 |
Грунт 20% воды | 2,100 |
Грунт песчаный | 1,160 |
Грунт сухой | 0,400 |
Грунт утрамбованный | 1,050 |
Гудрон | 0,300 |
Древесина – доски | 0,150 |
Древесина – фанера | 0,150 |
Древесина твердых пород | 0,200 |
Древесно-стружечная плита ДСП | 0,200 |
Дюралюминий | 160,0 |
Железобетон | 1,700 |
Зола древесная | 0,150 |
Известняк | 1,700 |
Известь-песок раствор | 0,870 |
Ипорка (вспененная смола) | 0,038 |
Камень | 1,400 |
Картон строительный многослойный | 0,130 |
Каучук вспененный | 0,030 |
Каучук натуральный | 0,042 |
Каучук фторированный | 0,055 |
Керамзитобетон | 0,200 |
Кирпич кремнеземный | 0,150 |
Кирпич пустотелый | 0,440 |
Кирпич силикатный | 0,810 |
Кирпич сплошной | 0,670 |
Кирпич шлаковый | 0,580 |
Кремнезистые плиты | 0,070 |
Латунь | 110,0 |
Лед 0°С | 2,210 |
Лед -20°С | 2,440 |
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности) | 0,150 |
Медь | 380,0 |
Мипора | 0,085 |
Опилки – засыпка | 0,095 |
Опилки древесные сухие | 0,065 |
ПВХ | 0,190 |
Пенобетон | 0,300 |
Пенопласт ПС-1 | 0,037 |
Пенопласт ПС-4 | 0,040 |
Пенопласт ПХВ-1 | 0,050 |
Пенопласт резопен ФРП | 0,045 |
Пенополистирол ПС-Б | 0,040 |
Пенополистирол ПС-БС | 0,040 |
Пенополиуретановые листы | 0,035 |
Пенополиуретановые панели | 0,025 |
Пеностекло легкое | 0,060 |
Пеностекло тяжелое | 0,080 |
Пергамин | 0,170 |
Перлит | 0,050 |
Перлито-цементные плиты | 0,080 |
Песок 0% влажности | 0,330 |
Песок 10% влажности | 0,970 |
Песок 20% влажности | 1,330 |
Песчаник обожженный | 1,500 |
Плитка облицовочная | 1,050 |
Плитка термоизоляционная ПМТБ-2 | 0,036 |
Полистирол | 0,082 |
Поролон | 0,040 |
Портландцемент раствор | 0,470 |
Пробковая плита | 0,043 |
Пробковые листы легкие | 0,035 |
Пробковые листы тяжелые | 0,050 |
Резина | 0,150 |
Рубероид | 0,170 |
Сланец | 2,100 |
Снег | 1,500 |
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, 15% влажности) | 0,150 |
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности) | 0,230 |
Сталь | 52,0 |
Стекло | 1,150 |
Стекловата | 0,050 |
Стекловолокно | 0,036 |
Стеклотекстолит | 0,300 |
Стружки – набивка | 0,120 |
Тефлон | 0,250 |
Толь бумажный | 0,230 |
Цементные плиты | 1,920 |
Цемент-песок раствор | 1,200 |
Чугун | 56,0 |
Шлак гранулированный | 0,150 |
Шлак котельный | 0,290 |
Шлакобетон | 0,600 |
Штукатурка сухая | 0,210 |
Штукатурка цементная | 0,900 |
Эбонит | 0,160 |
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.
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.
Для чего используются такие расчеты в практическом приложении?
А для чего бывает необходимо вычислять это сопротивление, какая от этого практическая польза?
Такими расчетами можно очень точно оценить степень термоизоляции своего жилья.
Дело в том, что для различных климатических регионов России специалистами рассчитаны так называемые нормативные показатели этого сопротивления теплопередаче, отдельно для стен, перекрытий и покрытий. То есть если сопротивление конструкции отвечает этой норме, то за утепление можно быть спокойным.
Значение этих нормированных сопротивлений для разных строительных конструкций можно найти, воспользовавшись предлагаемой картой схемой.
Если не дотягивает – надо принимать меры, усиливать термоизоляцию, чтобы минимизировать потери тепла. И, стало быть, решить обратную задачу. То есть с использованием той же формулы (сопротивление от коэффициента теплопроводности и толщины) найти ту толщину утепления, которая восполнит имеющийся «дефицит» до нормы.
Ну а если термоизоляции пока нет, то тут и вовсе все просто. Тогда потребуется определить, какой слой выбранного утеплительного материала обеспечит выход на нормированное значение сопротивления теплопередаче.
Еще одна важная задача – это определение величины тепловых потерь через ограждающую конструкцию. Такие вычисления бывают необходимы когда, например, определяется требуемая мощность системы отопления. Как по помещениям — для правильной расстановки обогревательных приборов (радиаторов), так и общая — для выбора оптимальной модели котла.
Дело в том, что это сопротивление описывается еще одной формулой, уже от разницы температур и количества тепла, уходящего через ограждающую конструкцию площадью один квадратный метр.
R = Δt / q
Δt — разница температур по обе стороны конструкции, ℃.
q — удельное количество теряемого тепла, Вт.
То есть если известна площадь ограждающей конструкции и ее термическое сопротивление (определенное, например, через толщину и коэффициент теплопроводности), если известно, для каких условий производится расчет (например, нормальная температура в помещении и самые сильные морозы, присущие данной местности), то можно спрогнозировать и тепловые потери через эту конструкцию.
Q = S × Δt/R
Q — теплопотери через ограждающую конструкцию, Вт.
S — площадь этой конструкции, м².
Такие расчеты в помещении проводятся для всех ограждающих конструкций, контактирующих с холодом, и затем определяется суммарные потери, которые должны компенсироваться системой отопления. Или, если эти потери получаются слишком большими – это становится побудительным мотивом к усовершенствованию системы термоизоляции – что-то с ней не так.
Еще одна ремарка. Это мы говорили о конструкциях, состоящих из нескольких слоев разных строительных и утеплительных материалов. А как быть с окнами? Как для них просчитывается сопротивление теплопередаче?
Методика здесь – несколько иная, и самостоятельно заниматься такими расчетами вряд ли имеет смысл. Можно воспользоваться таблицей, в которой уже имеются готовые значения сопротивления для различных типов конструкций окон.
Таблица приведенных значений сопротивления теплопередаче для окон, остекленных балконных дверей, световых проемов (фонарей)
Материал и схема запонения проема | Приведенное термическое Ro, м ² × °С/Вт | |
---|---|---|
Двойное остекление в спаренных переплетах | 0.4 | — |
Двойное остекление в раздельных переплетах | 0.44 | 0,34* |
Тройное остекление в раздельно-спаренных переплетах | 0.55 | 0.46 |
Однокамерный стеклопакет: | ||
— из обычного стекла | 0.38 | 0.34 |
— из стекла с твердым селективным покрытием | 0.51 | 0.43 |
— из стекла с мягким селективным покрытием | 0.56 | 0.47 |
Двухкамерный стеклопакет: | ||
— из обычного стекла (с межстекольным расстоянием 6 мм) | 0.51 | 0.43 |
— из обычного стекла (с межстекольным расстоянием 12 мм) | 0.54 | 0.45 |
— из стекла с твердым селективным покрытием | 0.58 | 0.48 |
— из стекла с мягким селективным покрытием | 0.68 | 0.52 |
— из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном | 0.65 | 0.53 |
Обычное стекло и однокамерный стеклопакет в раздельных переплетах: | ||
— из обычного стекла | 0.56 | — |
— из стекла с твердым селективным покрытием | 0.65 | — |
— из стекла с мягким селективным покрытием | 0.72 | — |
— из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном | 0.69 | — |
Обычное стекло и двухкамерный стеклопакет в раздельных переплетах: | ||
— из обычного стекла | 0.68 | — |
— из стекла с твердым селективным покрытием | 0.74 | — |
— из стекла с мягким селективным покрытием | 0.81 | — |
— из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном | 0.82 | — |
Два однокамерных стеклопакета в спаренных переплетах | 0.7 | — |
Два однокамерных стеклопакета в раздельных переплетах | 0.74 | — |
Четырехслойное остекление в двух спаренных переплетах | 0.8 | — |
Блоки стеклянные пустотные (с шириной кладочных швов 6 мм) размером: | ||
-200×200 ×100 мм | 0,31 (без переплета) | |
-250×250 ×100 мм | 0,33 (без переплета) | |
Примечания: | ||
Д и ПВХ — переплеты из дерева или пластика (поливинилхлорида) | ||
А — переплеты из алюмииия | ||
* — перепеты из стали | ||
все указанные значения даны для площади остекления 75% от площади светового проема |
Понятно, что тепловые потери будут считаться, исходя из площади остекления и разницы температур.
Надо заметить, что профессиональные теплотехнические расчеты учитывают еще и множество различных поправочных коэффициентов, в том числе на инсоляцию (воздействие солнечных лучей), светопоглощающие и отражающие свойства поверхностей, неоднородность конструкций и другие. Но для самостоятельной первичной оценки достаточно и того алгоритма, что приведен выше.