Коэффициент теплопроводности материалов

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше  (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей

Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала

Теплопроводность через цилиндрическую стенку (граничные условия первого рода)

Теплообменные аппараты в большинстве случаев имеют не плоские, а цилиндрические поверхности, например рекуператоры типа «труба в трубе», кожухотрубные водонагреватели и т.д. Поэтому возникает необходимость рассмотрения основных принципов расчета цилиндрических поверхностей.

Согласно закону Фурье, количество теплоты, проходящее в единицу времени через этот слой, равно:

Подставим значения граничные значение и вспомним, что разность логарифмов равна логарифму отношению аргументов, получим:

Распределение температур внутри однородной цилиндрической стенки подчиняется логарифмическому закону, и уравнение температурной кривой имеет вид:

Количество теплоты, проходящее через стенку трубы, может быть отнесено либо к единице длины трубы L, либо к единице внутренней F₁ или внешней F₂ поверхности трубы. При этом расчетные формулы принимают следующий вид:

q_L = Q/L = πΔT / (1/2λ * ln(d₂/d₁));

q₁ = Q/S₁ = Q/πd₁L

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5 кирпича.
2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

   Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

3. Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными

Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание

Термическое сопротивление

2

R = δ/λ        (6),

• где δ — толщина слоя, м;
  λ — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м×°С), принимаемый согласно 5.3, по таблице Д1

_k

R_k = R₁ + R₂ + … + R_n + R_a.l,        (7)

• где R

₁, R₂ + … + R_n — термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м2×°С/Вт, определяемые по формуле (6)
R_a.l — термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, принимаемое по таблице 7 (СП 23-101-2004).

Таблица 7 (СП 23-101-2004) . Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

• а) слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной поверхностью, в теплотехническом расчете не учитываются;
  б) на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным воздухом прослойки, следует принимать коэффициент теплоотдачи a

_ext равным 10,8 Вт/(м2×°С).

Таблица теплопроводности материалов на М-О

Тепловой расчет

Для понимания влияния температуры окружающей среды и теплового сопротивления материалов, используемых для печатной платы, в лаборатории COTCO Ltd. были исследованы светодиоды DORADO, припаянные на плату Al PCB размером 20*20*2 мм. Температура корпуса измерялась с помощью термозонда, введенного сквозь отверстие диаметром 1 мм в плате под медным основанием корпуса светодиода (Рис. 4).

Через 30 минут после включения питания была проведено измерение температуры корпуса. Данные измерений приведены в таблице 2.

Рис. 4

Наряду с радиатором из Al PCB были исследованы и другие виды печатных плат размером 20*20 мм из фольгированного стеклотекстолита FR4, и из двустороннего стеклотекстолита с просверленными дополнительными сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,4 мм. При пайке DORADO эти отверстия заполняет припой. На этих платах не установлены никакие другие компоненты, излучающие тепло во время работы. Эксперимент проводился при температуре окружающей среды 25 °C и нормальной влажности (Рис. 5).

Рис. 5

Спустя 30 минут после подачи питания радиатор из Al PCB имел более низкую температуру, чем печатная плата из фольгированного стеклотекстолита FR4, так как у него более низкое тепловое сопротивление, что позволяет отдать большее количество тепла в окружающую среду.

Однако печатная плата из двустороннего фольгированного стеклотекстолита за счет наличия дополнительных металлизированных отверстий имеет тепловые характеристики даже лучше, чем у фольгированного алюминия (Табл. 3).

При увеличении количества отверстий теплопроводность платы из фольгированного стеклотекстолита FR4 еще более увеличивается (Рис. 6, 7).

Рис. 6

Рис. 7

Необходимость расчетов

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

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.

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 и другие.

Теплопередача в однородном ограждении при установившемся потоке тепла

Представим
себе условную ограждающую конструкцию,
состоящую из однородного материала,
через которую в холодное время года
проходит постоянный тепловой поток. В
этом случае график распределения
температуры внутри ограждения выглядит
следующим образом (рис. 1).

Рис.
1. Распределение температур в однородной
ограждающей конструкции при постоянном
тепловом потоке

При
передаче тепла через ограждающую
конструкцию происходит падение
температуры от t_вдо
t_н.
При этом общий температурный перепад
t_в—
t_нсостоит
из суммы трех температурных перепадов:

1. температурный
   перепад t_в-τ_в
   возникает из-за того, что температура
   внутренней поверхности ограждения τ_в
   всегда
   на несколько градусов ниже, чем
   температура воздуха в помещении t_в;

2. τ_в-τ_н—
   температурный перепад в пределах
   толщины ограждающей конструкции;

3. τ_н—t_н
   — температурный перепад, возникающий
   вследствие того, что температура
   наружной поверхности ограждения τ_ннесколько
   выше температуры наружного воздуха
   t_н.

Каждый
из этих температурных перепадов вызван
конкретным сопротивлением переносу
тепла:

1. перепадt_в-τ_в—
   сопротивлением
   тепловосприятию
   внутренней поверхности ограждения R_в;

2. перепад
   τ_в-τ_н—
   термическим
   сопротивлением конструкции R_к;

3. перепад
   τ_н—t_н
   — сопротивлением
   теплоотдаче
   наружной поверхности ограждения R_н.

Сопротивления
тепловосприятию и теплоотдаче иногда
называют сопротивлениями теплообмену;
они имеют такую же размерность, как и
термическое сопротивление, т. е. м2·
оС/Вт.

Общее
(приведенное) термическое сопротивление
однослойной ограждающей конструкции
R_o,
м2·
оС/Вт,
равно сумме всех отдельных сопротивлений,
т. е.

,
(3)

где
α_в—
коэффициент теплоотдачи внутренней
поверхности ограждающих конструкций,
Вт/(м2·оС),
определяемый по табл. 4* , см. также
табл. 5 настоящего пособия;

α_н—
коэффициент теплоотдачи наружной
поверхности ограждающих конструкций,
Вт/(м2·оС),
определяемый по табл. 6* , см. также
табл. 6 настоящего пособия;

R_к—
термическое сопротивление однослойной
конструкции, определяемое по формуле
(2).

Термическое сопротивление

Любая стена, дверь, окно служит для ограждения от внешних природных воздействий. Они способны в разной степени защитить жилище от холодов, так как коэффициент проводимости у них отличается. Для каждого ограждения коэффициент рассчитываться должен по-разному. Точно так же ведется расчет для внутренних перегородок, стен, дверей, неотапливаемых частей дома.

Если в здании имеются части, которые не протапливаются, необходимо утеплять стены между ними и другими помещениями так же качественно, как и внешние. Воздух – плохой переносчик тепла, потому что там частицы находятся на значительном отдалении друг от друга. Выходит, что если изолировать некоторые воздушные массы герметично, получится неплохая изоляция от холода. Для уточнения данных производится расчет приведенного сопротивления. Данные показывают, насколько хорошо утеплено жилище, нет ли необходимости в дополнительном утеплении.
Современные материалы

В старых домах делали всегда по две рамы, чтобы между ними находилось некоторое количество воздушных масс. Теперь по такому же принципу делаются стеклопакеты, но воздух между стеклами откачивается полностью, чтобы частиц, проводящих тепло, вообще не было. Термическое сопротивление в них значительно превышает показатели старых окон. Входные двери делаются по такому же принципу. Стараются сделать небольшой коридор, предбанник, который сохранит тепло в доме.

Если в жилище установить дополнительные резиновые уплотнители в несколько слоев, это позволит повысить теплоизоляционные свойства. Современные входные двери создаются многослойными, там помещается несколько разных слоев утеплительного материала. Конструкция становится практически герметичной, дополнительное утепление часто не требуется. Сопротивление теплопередаче стен обычно не такое хорошее, потому используются дополнительные материалы для утепления.

Основные характеристики утеплителей

Предоставим для начала характеристики наиболее популярных теплоизоляционных материалов, на которые в первую очередь стоит обратить свое внимание при выборе. Сравнение утеплителей по теплопроводности следует производить только на основе назначения материалов и условий в помещении (влажность, наличие открытого огня и т.д.)

Мы расположили далее в порядке значимости основные характеристики утеплителей

Мы расположили далее в порядке значимости основные характеристики утеплителей.

Сравнение строительных материалов

Теплопроводность. Чем ниже данный показатель, тем меньше требуется слой теплоизоляции, а значит, сократятся и расходы на утепление.

Влагопроницаемость. Меньшая проницаемость материала парами влаги снижает при эксплуатации негативное воздействие на утеплитель.

Пожаробезопасность. Теплоизоляция не должна гореть и выделять ядовитые газы, особенно при утеплении котельной или печной трубы.

Долговечность. Чем больше срок эксплуатации, тем дешевле он вам обойдется при эксплуатации, так как не потребует частой замены.

Экологичность. Материал должен быть безопасным для человека и окружающей природы.

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.

Как рассчитывается тепловое сопротивление

Данные после расчета теплового сопротивления помогут показать, насколько хорошо утеплен дом, какое количество тепла теряется в процессе. Таким образом, можно точно подобрать оборудование для утепления, правильно рассчитать мощность. Для примера будет произведен расчет одной из стен и дверей каркасного дома с керамическим кирпичом, что поможет понять, насколько хороши данные материалы для строительства и утепления.
Утепление изнутри

Класс сопротивления для каждого материала разный. С обратной стороны он утеплен экструдированным пенополистиролом, толщина которого составляет 100 мм. Стены по толщине будут в два кирпича, что равняется 500 мм. Формула для вычисления сопротивления:

R = d/λ, где d – толщина компонентов стены, λ – коэффициент теплопроводности.

По справочнику необходимо посмотреть данные λ. Это число 0,56 для кирпича и 0,036 – для полистирола.

R = 0,5 / 0,56 = 0,89 – для кирпича.

R = 0,1 / 0,036 = 2,8 – для полистирола.

Общий показатель будет суммой этих величин. R = 0,89 + 2,8 = 3,59. Данная формула с приведенными данными имеет численное значение. Его можно сравнить с показаниями с улицы, верными в вашем регионе, и понять, правильно ли применены утеплители. Можно определить класс по приведенному выше сопротивлению.

Что нужно знать о теплопроводности пенопласта

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

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

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

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

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

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

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