Теплопроводность строительных материалов (таблица и понятие)

В современном мире важным аспектом частного дома является его энергоэффективность. То есть способность тратить минимальное количество энергии на поддержание комфортного климата в доме. Чтобы тратить меньше энергии, необходимо позаботится о сокращении ее потерь.

Теплопроводность материалов — это способность материала сохранять тепло в холодное время и удерживать прохладу летом.

Теплоёмкость — количество теплоты, поглощаемой (выделяемой) телом в процессе нагревания (остывания) на 1 кельвин.

Плотность — отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Теплопроводность строительных материалов

Проектированием по технологиям энергоэффективных домов должны заниматься специалисты, но в реальной жизни все может быть иначе. Случается так, что владельцы домов по ряду причин вынуждены самостоятельно подбирать материалы для строительства. Им также потребуется рассчитать теплотехнические параметры, на основании которых будут проводиться термоизоляция и утепление. Поэтому нужно иметь хотя бы минимальные представления о строительной теплотехнике и ее основных понятиях, таких как коэффициент теплопроводности, в каких единицах измеряется и как просчитывается. Знание этих «азов» поможет правильно утеплить свой дом и экономно его отапливать.

Что такое теплопроводность

Теплопроводность кирпичной стены: без утеплителя; с утеплителем снаружи; с утеплителем внутри дома;
Если говорить простыми словами, то теплопроводность – это передача тепла от более горячего тела к менее горячему. Если не углубляться в подробности, то все физические материалы и вещества могут передавать тепловую энергию.

Ежедневно, даже на самом примитивном бытовом уровне мы сталкиваемся с теплопроводностью, которая проявляется у каждого материала по-разному и в очень отличающейся степени. Для примера, если мешать кипящую воду металлической ложкой – можно очень скоро получить ожег, так как ложка нагреется почти моментально. Если же использовать деревянную лопатку, то нагреваться она будет очень медленно. Этот пример наглядно показывает разницу теплопроводности у металла и дерева – у металла она в разы выше.

ИНТЕРЕСНО: Как обогреть дом с помощью электричества экономно

Коэффициент теплопроводности

Для оценки теплопроводности любого материала используется коэффициент теплопроводности (λ), который измеряется в Вт/(м×℃) или Вт/(м×К). Этот коэффициент обозначает количество тепла, которое может провести любой материал, не зависимо от своего размера, за единицу времени на определённое расстояние. Если мы видим, что какой-то материал имеет большое значение коэффициента, то он очень хорошо проводит тепло и его можно использовать в роли обогревателей, радиаторов, конвекторов. К примеру, металлические радиаторы отопления в помещениях работают очень эффективно, отлично передавая нагрев от теплоносителя внутренним воздушным массам в помещении.

Если же говорить о материалах, используемых при строительстве стен, перегородок, крыши, то высокая теплопроводность – явление нежелательное. При высоком коэффициенте здание теряет слишком много тепла, для сохранения которого внутри помещения нужно будет сооружать довольно толстые конструкции. А это влечет за собой дополнительные финансовые затраты.

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры. По этой причине в справочной литературе указывается несколько значений коэффициента, которые изменяются при увеличении температур. На проводимость тепла влияют и условия эксплуатации. В первую очередь речь идет о влажности, так как при увеличении процента влаги коэффициент теплопроводности также возрастает. Поэтому проводя такого рода расчеты нужно знать реальные климатические условия, в которых здание будет построено.

Сопротивление теплопередаче

Коэффициент теплопроводности – важная характеристика любого материала. Но эта величина не совсем точно описывает теплопроводные способности конструкции, так как не учитывает особенности ее строения. Поэтому более целесообразно просчитывать сопротивление теплопередачи, которое по своей сути является обратной величиной коэффициента теплопроводности. Но в отличие от последнего при расчете учитывается толщина материала и другие важные особенности конструкции.

При строительстве, как правило, используются многослойные конструкции, таких как каркасные или СИП дома Одним из таких слоев является утеплительный материал, который максимально повышает значение термического сопротивления. Каждый слой такой конструкции имеет свое сопротивление и его нужно рассчитывать исходя из коэффициента теплопроводности и толщины материала. Суммировав сопротивления всех слоев, мы получим общее сопротивление всей конструкции.

Важно отметить, что воздушные прослойки, которые находятся в конструкции перегородки и не сообщаются с внешним воздухом, значительно увеличивают общее сопротивление теплопередаче.

Современные тенденции строительства предусматривают использования в качестве утеплителя синтетических материалов таких как ЭППС PIR плиты и Изолон, которые обладают отличными характеристиками, удобны и просты в монтаже.

ИНТЕРЕСНО: Утеплитель. Виды и характеристики

Коэффициенты теплопроводности плотности и теплоемкости рассчитаны почти для всех строительных материалов. Ниже приведена таблица с информацией о коэффициентах для всех материалов, которые могут использоваться при строительстве зданий. Даже просто взглянув на эти данные, становится понятно, насколько разная проводимость тепла у строительных материалов и насколько сильно могут отличаться значения коэффициентов. Для упрощения выбора материала покупателем, производители указывают значение коэффициента теплопроводности в паспорте на свой товар.

Таблица теплопроводности теплоемкости и плотности материалов

Теплопроводность пенопласта от 50 мм до 150 мм считаем теплоизоляцию

Пенополистирольные плиты, именуемые в просторечье пенопласт – это изоляционный материал, как правило, белого цвета. Изготавливают его из полистирола термального вспучивания. На вид пенопласт представлен в виде небольших влагостойких гранул, в процессе плавления при высокой температуре выплавляется в одно целое, плиту. Размеры частей гранул считаются от 5 до 15 мм. Выдающаяся теплопроводность пенопласта толщиной 150 мм, достигается за счет уникальной структуры – гранул.

У каждой гранулы есть огромное количество тонкостенных микро ячеек, которые в свою очередь во много раз повышают площадь соприкосновения с воздухом. Можно с уверенность сказать, что пенопласт практически весь состоит из атмосферного воздуха, приблизительно на 98%, в свою очередь этот факт являет собой их предназначение – теплоизоляция зданий как снаружи, так и внутри.

Всем известно, еще из курсов физики, атмосферный воздух, является основным изолятором тепла во всех теплоизоляционных материалах, находится в обычном и разреженном состоянии, в толще материала. Тепло-сбережение, основное качество пенопласта.

Как было сказано раньше, пенопласт практически на 100% состоит из воздуха, а это в свою очередь определяет высокую способность пенопласта сохранять тепло. А связанно это с тем, что у воздуха самая низкая теплопроводность. Если посмотреть на цифры, то мы увидим, что теплопроводность пенопласта выражена в промежутке значений от 0,037Вт/мК до 0,043Вт/мК. Это можно сопоставить с теплопроводность воздуха — 0,027Вт/мК.

В то время как теплопроводность популярных материалов, таких как дерево (0,12Вт/мК), красный кирпич (0,7Вт/мК), керамзитная глина (0,12 Вт/мК) и других, используемых для строительства, намного выше.

Поэтому самым эффективным материалом из немногих для теплоизоляции наружных и внутренних стен здания принято считать пенопласт. Затраты на отопление и охлаждение жилых помещений значительно сокращаются благодаря применению пенопласта в строительстве.

Превосходные качества пенополистирольных плит нашли свое применение и в других видах защиты, например: пенопласт, так же служит для защиты от промерзания подземных и наружных коммуникаций, за счет чего их эксплуатационный срок увеличивается в разы. Пенопласт применяют и в промышленном оборудовании (холодильные машины, холодильные камеры) и в складских помещениях.

Необходимость расчетов

Для чего же необходимо проводить эти вычисления, есть ли от них хоть какая-то польза на практике? Разберемся подробнее.

ИНТЕРЕСНО: Полиэтиленовые трубы ПВД ПНД PEX: виды размеры и характеристики

Оценка эффективности термоизоляции

В разных климатических регионах России разный температурный режим, поэтому для каждого из них рассчитаны свои нормативные показатели сопротивления теплопередаче. Проводятся эти расчеты для всех элементов строения, контактирующих с внешней средой. Если сопротивление конструкции находится в пределах нормы, то за утепление можно не беспокоиться.

В случае, если термоизоляция конструкции не предусмотрена, то нужно сделать правильный выбор утеплительного материала с подходящими теплотехническими характеристиками.

Тепловые потери

Тепловые потери дома
Не менее важная задача – прогнозирование тепловых потерь, без которого невозможно правильно спланировать систему отопления и создать идеальную термоизоляцию. Такие вычисления могут понадобиться при выборе оптимальной модели котла, количества необходимых радиаторов и правильной их расстановки.

Для определения тепловых потерь через любую конструкцию нужно знать сопротивление, которое вычисляется с помощью разницы температур и количества теряемого тепла, уходящего с одного квадратного метра ограждающей конструкции. И так, если мы знаем площадь конструкции и ее термическое сопротивление, а также знаем для каких климатических условий производится расчет, то можем точно определить тепловые потери. Есть хороший калькулятор расчета теплопотерь дома ( он может даже посчитать сколько будет уходить денег на отопление, примерно конечно).

Такие расчеты в здании проводятся для всех ограждающих конструкций, взаимодействующих с холодными потоками воздуха, а затем суммируются для определения общей потери тепла. На основании полученной величины проектируется система отопления, которая должна полностью компенсировать эти потери. Если же потери тепла получаются слишком большими, они влекут за собой дополнительные финансовые затраты, а это не всем «по карману». При таком раскладе нужно задуматься об улучшении системы термоизоляции.

Отдельно нужно поговорить про окна, для них сопротивление теплопередаче определяются нормативными документами. Самостоятельно проводить расчеты не нужно. Существуют уже готовые таблицы, в которых внесены значения сопротивления для всех типов конструкций окон и балконных дверей. Тепловые потери окон рассчитываются исходя из площади, а также разницы температур по разные стороны конструкции.

Расчеты, приведенные выше, подходят для новичков, которые делают первые шаги в проектировании энергоэффективных домов. Если же за дело берется профессионал, то его расчеты более сложные, так как дополнительно учитывается множество поправочных коэффициентов – на инсоляцию, светопоглощение, отражение солнечного света, неоднородность конструкций расположение дома на участке и другие.

Почему нельзя построить дому только из ППУ

Исходя из вышеизложенного, получается, что дома седует строить из материалов с малым λ. Но это не возможно. Т.к. чем меньше лямда, тем меньше плотность и прочность материала. ППУ с лямда 0,03 Вт/(м•градС) это хороший утеплитель и, даже, субъективно прочный материал, но его легко повредить ножом, молотком, лопатой, ломом и т.д. У кирпича, камня, бетона лямда очень большие, поэтому, они плохие утеплители, но их уже сложно повредить.

Поэтому в строительных конструкция чередуют слои материалов. Внешнюю оболочку и несущий каркас изготавливают из прочных жестких материалов с большим значением коэффициента λ, а между ними укладывают малопрочный материал с малым лямда.

Заметим, что λ = 0,03 Вт/(м•градС) для ППУ характерно для материала при плотности 40…50 кг/м3. Есть ППУ с плотностью и 200 кг/м3. Это очень прочный материал, из него делают элементы мебели, строительного декора. В этом случае коэффициент теплопроводности значительно выше. Но к мебели не предъявляется требования, что она должна хранить тепло. И такой сверхпрочный утеплитель, буквально, как твердое дерево, не используется для утепления зданий и сооружений.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Смотреть галерею

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

Преимущества и отрицательные стороны

Металлургический шлак не применяют во влажной среде из-за склонности к коррозии
Несмотря на разницу в технических характеристиках все виды шлаков как утеплители имеют сходные положительные качества.

Материал отличается:

• простотой использования;
• низкой стоимостью;
• оптимальным воздухообменом;
• стойкостью к гниению, образованию грибка, распространению плесени;
• возможностью использования в любых помещениях;
• механической прочностью и химической нейтральностью;
• недоступностью к повреждению грызунами и насекомыми;
• хорошими показателями теплопроводности по сравнению с монолитным бетоном или кирпичом;
• неограниченным временем использования при соблюдении технологии монтажа;
• пожаробезопасностью.

Структура материала накладывает ограничения на применение. Высокий удельный вес учитывают при проектировании несущих конструкций.

Шлаки менее эффективны относительно современных специализированных изделий для теплоизоляции — пенопласта, пеноизола, минеральных плит и др.

Отходы производств не применяют для утепления поверхностей, подверженных воздействию осадков, либо выполняют поверх засыпки бетонные стяжки для защиты от переувлажнения. Мокрый шлак теряет свойства изолятора.

Металлургический тип подвержен ржавчине в условиях повышенной влажности.

Промышленные виды утеплителя скрывают стяжкой или засыпают в пустоты кирпичной кладки для предотвращения попадания вредных веществ в воздух жилых помещений.

Сколько понадобится утеплителя

При столь высоком коэффициенте теплопроводности – большое 0,1 Вт/м2С рекомендуется использовать слой не тоньше 30 см, но лучше 40 – 50 см.

• Керамзит или шлак засыпается из грузовика под пол – под деревянные лаги.
• Керамзит можно засыпать на утрамбованный щебнем грунт (полы по грунту) и сделать сверху стяжку.

Применить их на чердачном перекрытии все же проблематично – оптимальный слой по экономической целесообразности – 40 см, но десятки тон нужно поднять на уровень перекрытия. Также возникает вопрос — выдержат ли перекрытия?, а так же – ни лишняя ли это нагрузка на фундамент?

Но зато щепа или солома, пусть и не столь долговечные, но отделенные от жилья пароизолятором, будут там не плохо смотреться, если сверху организовать помост для передвижения…

Как определить теплопотери

Главные элементы здания, через которые уходит тепло:

• двери (5-20%);
• пол (10-20%);
• крыша (15-25%);
• стены (15-35%);
• окна (5-15%).

Уровень теплопотери определяется с помощью тепловизора. О самых трудных участках говорит красный цвет, о меньших потерях тепла скажет желтый и зеленый. Зоны, где потери наименьшие, выделяются синим. Значение теплопроводности определяется в лабораторных условиях, и материалу выдается сертификат качества.

Значение проводимости тепла зависит от таких параметров:

1. Пористость. Поры говорят о неоднородности структуры. Когда через них проходит тепло, охлаждение будет минимальным.
2. Влажность. Высокий уровень влажности провоцирует вытеснение сухого воздуха капельками жидкости из пор, из-за чего значение увеличивается многократно.
3. Плотность. Большая плотность способствует более активному взаимодействию частиц. В итоге теплообмен и уравновешивание температур протекает быстрее.

Рекомендации по термоизоляции

В процессе утепления напольного основания необходимо учитывать несколько важных нюансов. От них в дальнейшем будет зависеть микроклимат в помещении в любое время года:

• Высота термоизолирующего слоя должна определяться нагрузкой на покрытие: чем больше нагрузка – тем толще слой наполнителя;
• В процессе теплоизоляции бетонного основания желательно использовать армирующую сетку, чтобы улучшить прочностные характеристики финишной стяжки;
• Шлак желательно укладывать на гидроизолирующие материалы, поскольку при намокании теплопроводность термоизолятора резко возрастает;
• При утеплении деревянных покрытий наполнитель засыпается таким образом, чтобы между ним и чистовыми досками оставался небольшой воздушный зазор хотя бы в 4-5 мм;
• Чтобы исключить возможность попадания влаги на теплоизолятор, непременно накрывайте его пародиффузионной мембраной.

Экономичная штукатурная теплоизоляция.

Полимерные штукатурки можно только купить, их не изготовить самостоятельно. Но растворы на минеральных вяжущих экономичнее смешивать своими руками.

Заказать работу наемным рабочим дорого. Но, если смесь изготовить самостоятельно, общая цена несколько упадет. Многие застройщики экономят таким образом: нанимают штукатуров, а сами выполняют для них «черную» работу. С учетом того, что помощь подсобника оплачивается не за м2, а по дням, экономия может быть не значительной. Приблизительно 800-1200 руб/день.

Еще дешевле самостоятельная подготовка стены, выставление маяков и грубое оштукатуривание. «Спецам» останется только выровнять покрытие и нанести декоративный раствор.

Теплоизоляционная дешевая штукатурка для наружных работ.

Изолирующие смеси дороже обычных, поскольку сложнее. Своими руками, к тому же, можно сделать далеко не все.
Однако изготовление раствора на основе цемента под силам любому начинающему строителю и способно ощутимо снизить расход средств. В качестве наполнителя можно использовать как влагостойкие насыпные материалы (вспененное стекло, керамзитовые пески), так и не влагостойкое (опилки, перлит, вермикулит). Последние лишь защищают слоем плотного бетона.

Для внешней теплоизоляционной штукатурки возможно применение полистирольных наполнителей. Самый экономичный наполнитель – измельченный пенополистирол. Его стоимость нулевая, он бесплатен. Если использовать для измельчения пенопластовую упаковку.

Такой бетон широко применяется в России и за ее пределами. Он не плотен и не применим в конструкциях, требующих высокой прочности. Но для внешних утепляющих штукатурок вполне подходит.

Теплоизоляционная штукатурка своими руками для внутренних работ.

За квадратный метр отделки без наполнителя застройщики отдают меньше, чем за смесь с наполнителем. Поэтому некоторые, особенно «предприимчивые» строители, пытаются добавлять утепляющие подсыпки в готовые смеси. Это запрещено: такие манипуляции сильно ослабляют раствор, снижают его прочность и долговечность.

Чтобы снизить стоимость за кв. м. проще сделать замес самому, используя недорогие наполнители и вяжущее. Так глиняно-опилочный раствор практически бесплатен, хотя и не уступает по прочности гипсовому. data-matched-content-ui-type=»image_stacked» data-matched-content-rows-num=»2″ data-matched-content-columns-num=»3″ data-ad-format=»autorelaxed»>

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

\tau\frac{\partial\mathbf{q}}{\partial t}=-\left(\mathbf{q}+\varkappa\,\nabla T\right).

Если время релаксации \tau пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Определение

Теплопроводностью материала называют перенос внутренней энергии от более нагретых частей к менее нагретым. Механизм переноса тепла отличается в зависимости от агрегатного состояния вещества, а также распределения температур по поверхности материала. Иными словами, способность тела проводить тепло — и есть теплопроводность. Определяется она количеством теплоты, которое способно проходить через определенную толщину материала, на определенном участке за обозначенное время (естественно, для удобства расчетов все показатели равны единице). Но штукатурки отличаются слоем нанесения — значит и показатель будет другим

Не допустить намокания

Это пористые, паропроницаемые утеплители, весь пар проходящий через них будет конденсироваться внутри их слоя в точке росы. Чтобы ее убрать, нужно делать вентиляцию с одной стороны, а с другой недопустить поступления пара. Поэтому от источника пара утеплитель отделяется паробарьером.

В полах на лагах утеплитель от грунта отделяется сплошной двойной рубероидной настилкой – обычная пароизоляция под домом. Сначала на утрамбованный грунт накатывают рубероид с проклейкой стыков и наворотом на цоколь. Теперь влажность утеплителя будет всегда как и в доме.

На чердачном перекрытии тоже самое – сначала кладется полипропиленовый пароизолятор на перекрытие, а сверху на него — утеплитель.

Краткая инструкция по монтажу шлаковаты

Учитывая то, что этот утеплитель может критически реагировать на воздействие влаги, его не рекомендовано устанавливать на фасад здания. Также не стоит крепить шлаковату на металлический каркас. Если вы планируете утеплять вертикальные или наклонные поверхности, то используйте деревянную обрешетку. Схема монтажа теплоизолятора такая:

• Подготавливаем деревянные брусья размером 50х50 или 50х100 миллиметров. Толщину и ширину подбираем с учетом ширины утеплителя.
• Крепим на поверхность гидроизоляцию, используя строительные скобы, с нахлестом в 10 сантиметров.
• Чтобы не кроить лишний раз шлаковату и не поднимать вредную пыль из микрочастиц волокон, рекомендовано устанавливать обрешетку с шагом под ширину мата. Обычно это около 50 сантиметров.
• Плиты должны плотно входить в отверстия между соседними брусьями и укладываться встык.
• Дополнительного крепления утеплитель не требует.
• Сверху шлаковаты укладываем пароизолятор. Его крепим также внахлест и проклеиваем стыки специальным скотчем.

Сверху такой конструкции можно устанавливать дополнительную обрешетку для дальнейшей обшивки стены. В процессе работы следите, чтобы шлаковата не соприкасалась с металлическими элементами. Также нужно быть внимательными и не допускать открытых участков утеплителя. Во-первых, он может намокнуть. Во-вторых, шлаковата пылит и будет создавать неблагоприятный микроклимат в помещении. Смотрите видео о производстве каменной ваты:

Экологичность шлака

Пористая структура шлака хорошо удерживает тепло
Рассматриваемый материал — отходы производства. Понимание, вреден ли шлак в качестве утеплителя, важно уже в начале проектирования дома.

Технология утепления и места использования засыпки не предусматривают прямого контакта с человеком. Пыль и газообразные выделения не проникают в комнаты, поэтому нанести вред здоровью не в состоянии.

При покупке нужно требовать сертификат безопасности. Некоторые шлаки излучают радиоактивный фон.