Отношение термического сопротивления к теплопроводности

Из факторов, влияющих на степень передачи тепла за счет теплопроводности, наиболее важным при оценке сезонной потери тепла является термическое сопротивление строительных материалов. Все материалы обладают определенным конечным сопротивлением тепловому потоку; материалы, имеющие особо высокую величину, называются изоляционными.

Противоположным по смыслу термическому сопротивлению является коэффициент теплопередачи, показывающий, какое количество тепла будет перенесено через здание во внешнюю среду зимой и получено от нее летом. Коэффициент теплопередачи К является мерой способности данного материала пропускать тепло; он выражается в количестве теплоты в Дж, которое пройдет в 1 ч через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м, когда между двумя поверхностями материала поддерживается разность температур в 1°С; К измеряется в Дж/(ч м2 оС) или Вт/(м2°С). Коэффициент С является коэффициентом, аналогичным К, но он выражает мощность теплового потока в Дж/ч (или Вт) через материал на единицу толщины. Деление К на толщину материала в метрах дает величину С для данного материала; чем ниже К или С, тем выше изоляционные свойства.

Общий коэффициент теплопроводности аг является мерой способности какой-либо конструкции здания (например, стены) пропускать поток тепла. Это комбинированная тепловая величина, включающая свойства всех материалов строительной конструкции с учетом воздушных промежутков и воздушных пленок. Чем ниже величина зе, тем выше изоляционные свойства конструкции. Величина зе выражается в Вт/(м 2 о С).

Чтобы найти общие потери тепла, величина зе умножается на количество часов, на общую площадь поверхности и на разность температур внутренней и наружной поверхностей. Например, для определения теплопотерь через стену площадью 5 м 2 с величиной зе, равной 0,67 за 8 ч при внутренней температуре 18,5°С, а наружной -5°С, нужно перемножить 0,67 ? 8 • 5 • (18,5 — 5). Величину зе любой части здания (стены, крыши, окна и т. п.) можно вычислить, зная величины теплопроводности различных составных частей этой конструкции. В этот расчет входит и термическое сопротивление. Сопротивление каждого элемента строительной конструкции представляет собой величину, обратную его коэффициенту теплопередачи;

Чем больше величина R материала, тем выше его изоляционная способность.

Величина R_t является суммой сопротивления отдельных элементов.

Таким образом, расчет предусматривает сложение всех величин R конструкции здания, считая в числе этих элементов и внутреннюю неподвижную пленку воздуха, любые воздушные промежутки в строительных материалах более 20 мм и пленку наружного воздуха.

После определения величин ж всех конструкций здания (окон, стен, крыши и перекрытий) можно начать расчет общих потерь тепла. Один из подходов к решению задачи заключается в определении общих потерь тепла зданием при наружных температурах, близких к минимальным; эти экстремальные температуры называются расчетными температурами.

При строительстве частных и многоквартирных домов приходится учитывать множество факторов и соблюдать большое количество норм и стандартов. К тому же перед строительством создается план дома, проводятся расчеты по нагрузке на несущие конструкции (фундамент, стены, перекрытия), коммуникациям и теплосопротивлению. Расчет сопротивления теплопередаче не менее важен, чем остальные. От него не только зависит, насколько будет дом теплым, и, как следствие, экономия на энергоносителях, но и прочность, надежность конструкции. Ведь стены и другие элементы ее могут промерзать. Циклы заморозки и разморозки разрушают строительный материал и приводят к обветшалости и аварийности зданий.

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.

Применение понятий в строительстве

Для того чтобы определить теплоизоляционные свойства того или иного строительного материала, используют коэффициент сопротивления теплопередаче. Его значение для различных материалов дается практически во всех строительных справочниках.

Так как большинство современных зданий имеет многослойную структуру стен, состоящую из нескольких слоев различных материалов (внешняя штукатурка, утеплитель, стена, внутренняя штукатурка), то вводится такое понятие, как приведенное сопротивление теплопередаче. Оно рассчитывается так же, но в расчетах берется однородный аналог многослойной стены, пропускающий то же количество тепла за определенное время и при одинаковой разности температур внутри помещения и снаружи.

Приведенное сопротивление рассчитывается не на 1 м кв., а на всю конструкцию или какую-то ее часть. Оно обобщает показатель теплопроводности всех материалов стены.

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.

Расчет теплового сопротивления

Расчет сопротивления теплопередаче позволяет оценить потери тепла в Вт и рассчитать необходимое дополнительное утепление и потери тепла. Благодаря этому можно грамотно подобрать необходимую мощность отопительного оборудования и избежать лишних трат на более мощное оборудование или энергоносители.

Для наглядности рассчитаем тепловое сопротивление стены дома из красного керамического кирпича. Снаружи стены будут утеплены экструдированным пенополистиролом толщиной 10 см. Толщина стен будет два кирпича – 50 см.

Сопротивление теплопередаче вычисляется по формуле R = d/λ, где d – это толщина материала, а λ – коэффициент теплопроводности материала. Из строительного справочника известно, что для керамического кирпича λ = 0,56 Вт/(м*°C), а для экструдированного пенополистирола λ = 0,036 Вт/(м*°C). Таким образом, R (кирпичной кладки) = 0,5 / 0,56 = 0,89 (м 2 *°C)/Вт, а R (экструдированного пенополистирола) = 0,1 / 0,036= 2,8 (м 2 *°C)/Вт. Для того чтобы узнать общее теплосопротивление стены, нужно сложить эти два значения: R = 3,59 (м 2 *°C)/Вт.

Таблица теплового сопротивления строительных материалов

Всю необходимую информацию для индивидуальных расчетов конкретных построек дает представленная ниже таблица сопротивления теплопередаче. Образец расчетов, приведенный выше, в совокупности с данными таблицы может также использоваться и для оценки потери тепловой энергии. Для этого используют формулу Q = S * T / R, где S – площадь ограждающей конструкции, а T – разность температур на улице и в помещении. В таблице приведены данные для стены толщиной 1 метр.

Материал	R, (м 2 * °C)/Вт
Железобетон	0,58
Керамзитобетонные блоки	1,5-5,9
Керамический кирпич	1,8
Силикатный кирпич	1,4
Газобетонные блоки	3,4-12,29
Сосна	5,6
Минеральная вата	14,3-20,8
Пенополистирол	20-32,3
Экструдированный пенополистирол	27,8
Пенополиуретан	24,4-50

Теплые конструкции, методы, материалы

Для того чтобы повысить сопротивление теплопередаче всей конструкции частного дома, как правило, используют строительные материалы с низким показателем коэффициента теплопроводности. Благодаря внедрению новых технологий в строительстве таких материалов становится все больше. Среди них можно выделить наиболее популярные:

• Дерево.
• Сэндвич-панели.
• Керамический блок.
• Керамзитобетонный блок.
• Газобетонный блок.
• Пеноблок.
• Полистиролбетонный блок и др.

Дерево является весьма теплым, экологически чистым материалом. Поэтому многие при строительстве частного дома останавливают выбор именно на нем. Это может быть как сруб, так и оцилиндрованное бревно или прямоугольный брус. В качестве материала в основном используется сосна, ель или кедр. Тем не менее это довольно капризный материал и требует дополнительных мер защиты от атмосферных воздействий и насекомых.

Сэндвич-панели – это довольно новый продукт на отечественном рынке строительных материалов. Тем не менее его популярность в частном строительстве очень возросла в последнее время. Ведь его основными плюсами является сравнительно невысокая стоимость и хорошее сопротивление теплопередаче. Это достигается за счет его строения. С наружных сторон находится жесткий листовой материал (ОСП-плиты, фанера, металлический профиль), а внутри — вспененный утеплитель или минеральная вата.

Строительные блоки

Высокое сопротивление теплопередаче всех строительных блоков достигается за счет наличия в их структуре воздушных камер или вспененной структуры. Так, например, некоторые керамические и другие виды блоков имеют специальные отверстия, которые при кладке стены идут параллельно ей. Таким образом, создаются закрытые камеры с воздухом, что является довольно эффективной мерой препятствия теплопередачи.

В других строительных блоках высокое сопротивление теплопередачи заключается в пористой структуре. Это может достигаться различными методами. В пенобетонных газобетонных блоках пористая структура образуется благодаря химической реакции. Другой способ – это добавление в цементную смесь пористого материала. Он применяется при изготовлении полистиролбетонных и керамзитобетонных блоков.

Нюансы применения утеплителей

Если сопротивление теплопередачи стены недостаточно для данного региона, то в качестве дополнительной меры могут применяться утеплители. Утепление стен, как правило, производится снаружи, но при необходимости может применяться и по внутренней части несущих стен.

На сегодняшний день существует множество различных утеплителей, среди которых наибольшей популярностью пользуются:

• Минеральная вата.
• Пенополиуретан.
• Пенополистирол.
• Экструдированный пенополистирол.
• Пеностекло и др.

Все они имеют очень низкий коэффициент теплопроводности, поэтому для утепления большинства стен толщины в 5-10 мм, как правило, достаточно. Но при этом следует учесть такой фактор, как паропроницаемость утеплителя и материала стен. По правилам, этот показатель должен возрастать наружу. Поэтому утепление стен из газобетона или пенобетона возможно только с помощью минеральной ваты. Остальные утеплители могут применяться для таких стен, если делается специальный вентиляционный зазор между стеной и утеплителем.

Заключение

Теплосопротивление материалов – это важный фактор, который следует учитывать при строительстве. Но, как правило, чем стеновой материал теплее, тем меньше плотность и прочность на сжатие. Это следует учитывать при планировке дома.

Строительство дома начинается на этапе проектировки, важной частью которой является расчет толщины стен. Для каждого типа климата предусмотрены определенные технические нормы, выполнение которых гарантирует жильцу приемлемые условия проживания в доме. Определяющим показателем является такой параметр, как термическое сопротивление. К примеру, в Москве и Московской области климат считается нормально влажным и тепловое сопротивление стен должно составлять R_req=3,13. Но что такое термическое сопротивление материалов, и почему этот показатель так важен в строительстве?

Что такое тепловое сопротивление?

С точки зрения физики, термическое сопротивление (оно же – тепловое сопротивление) характеризует способность материала (одного из слоев) противиться прохождению сквозь него теплового движения частиц. Тепловое сопротивление многокомпонентной системы (например, утеплителя, уложенного в несколько слоев) рассчитывается как сумма сопротивлений отдельных ее компонентов. Термическое сопротивление слоя рассчитывается, как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности данного материала.

Видео о том, что такое теплопроводность и термическое сопротивление материалов, и как они связаны между собой:

Что такое теплопроводность?

Если с толщиной стены все предельно ясно, то понятие теплопроводности материала следует рассмотреть дополнительно. Теплопроводностью называется процесс переноса тепла от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой посредством атомов, молекул и других частиц. Степень теплопроводности того или иного материала характеризуется коэффициентом теплопроводности, суть которого можно пояснить следующим образом: коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которая пройдет через образец площадью 1 м2 и толщиной в 1 м за единицу времени, при условии разницы температур на противоположных стенках в 1 К.

Важный нюанс заключается еще и в том, что на теплопроводность стен в доме прямо влияет паропроницаемость материала. Это связано с тем, что влажный материал быстрее проводит тепло – нагревается и остывает. Таким образом, паропроницаемость следует учитывать при расчетах, связанных с теплоизоляцией дома.

Подводя итоги, можно сказать, что каждый строительный материал для возведения стен характеризуется термическим сопротивлением, зависящим от толщины слоя и коэффициента теплопроводности. Понятия теплового сопротивления и теплопроводности в строительстве звучат похоже, но их не следует путать, так как их суть абсолютно противоположна друг другу.

Теплопроводность в строительстве характеризует способность материала быстро нагреваться летом и долго сохранять тепло в холодное время года. Теплопроводность стен дома – то, от чего в значительной степени зависят затраты энергии (и денег!) на обогрев, а также комфорт в доме при разной погоде.

Планируете строительство дома? Очень важно с максимальным вниманием подойти к подбору материалов и проектированию для того, чтобы обеспечить тепло и комфорт в жилище. У нас есть более 1,5 тысяч готовых проектов домов, уже адаптированных для российских климатических реалий. Получите консультацию специалисты и выберите наиболее подходящий!