Теплопроводность и теплосопротивление

   Эта статья - попытка вникнуть в терминологию теплотехники, расчёты и может содержать трудноусвояемые умозаключения. Возможны головные боли и резь в глазах от приставки "тепло-". Итак, начнём!

 

Теплопередача и её коэффициент (Q)

     Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики. Всего существует три простых механизма передачи тепла - теплообмена:

  • Теплопроводность

  • Конвекция

  • Тепловое излучение

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием этих трёх видов.

   Коэффициент теплопередачи в общем смысле показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1м² теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1К.

   Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции - это величина, выражающая удельный тепловой поток, Вт/м² •К, проходящий за 1ч через 1м² поверхности ограждения при разности температур на ее поверхности, равной 1 К. Этот коэффициент бывает двух видов:

  • трансмиссионный – величина, равная поверхностной плотности теплового потока, проходящего через конструкцию при разности внутренней и наружной температуры в один градус Кельвина (или Цельсия);

  • приведенный –  средне взвешенный коэффициент теплопередачи теплотехнически неоднородной ограждающей конструкции.

Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция!

 

Теплопроводность и её коэффициент (λ)

    Теплопроводность - процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела (процесс, происходящий в одном теле, в отличие от теплопередачи - процесса, происходящего между различными телами), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, электронами и пр.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

 Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить тепло. Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной в единицу длины (1м), площадью в единицу площади (1м²), за единицу времени (1 секунду) при единичном температурном градиенте (1К). В метрической системе мер единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K). Этот коэффициент измерен для огромного количества строительных и не только элементов и является основной характеристикой утеплителей. В упрощённом изложении, коэффициент теплопроводности показывает, насколько хорошо элемент конструкции проводит тепло. Чем ниже этот показатель, тем лучше теплоизоляция! 

 В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры и эта зависимость известна как закон теплопроводности Фурье. Выглядит эта зависимость в интегральной форме так: Р=λ·S·ΔT/L, где P - полная мощность тепловых потерь (Вт), λ - коэффициент теплопроводности (Вт/(м·K)), S - площадь сечения элемента (площадь стены, крыши)(м²), ΔT - перепад температур между тёплой и холодной гранями элемента (К или °С), L - толщина элемента утеплителя. 

  Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём экструзионный пенопласт "Техноплекс" (λ=0,034 Вт/(м·K)) толщиной 10см (L=0.1м), и засунем его в качестве утеплителя во все стены каркасного дома размером 10х10м и высотой 3м (S=(10+10)*2*3=120м²), и посчитаем, сколько тепла (Р, ватт) будут пропускать такие стены, если на улице будет мороз -10°С, а в помещении +20°С (ΔT=30°С). P=0,034·120·30/0,1=1224 Ватт. Иными словами, на отопление 100 м² площади дома из пенопласта с высотой стенок 3м (правда, без окон и дверей) в зимний месяц при температуре -10°С понадобится 1,224·24·30=881,28 кВт·ч электроэнергии. Двухкиловатный электрокотёл вполне справится=))

    Кстати, теплопроводность воздуха - 0,026 Вт/(м·K), поэтому обычные утеплители в стенах (если мы рассматриваем Земную атмосферу, а не аргон или иные газы) не могут иметь коэффициент лучший, чем 0,026. Наиболее близко к этой цифре подобрался экструдированный графитовый пенополистирол с коэффициентом в сухом состоянии 0,027 Вт/(м·K). 
     Однако, и с таким выводом нынче можно спорить! =)  В последнее время появились различные аэрогели, которые имеют крайне малые поры, через которые может проходить нагретый воздух, достигая теплопроводности в невероятных 0,015 Вт/(м·К). Все из-за того, что размер пор в аэрогеле меньше, чем расстояние, которое пролетает молекула воздуха прежде, чем во что-нибудь врезаться. Из-за этого быстрым горячим молекулам воздуха очень трудно протолкнуться сквозь аэрогель и перенести тепло с горячей стороны к холодной.  Это называется Кнудсеновской диффузией. На основе аэрогелей существуют различные краски, мастики, его добавляют в пенополистирол, стеклохолст и прочие материалы, получая на первый взгляд невероятные теплотехнические характеристики. Про аэрогель рекомендую посмотреть вот это прекрасное видео.

Теплосопротивление (R)

     Теплосопротивление (термическое сопротивление), обозначается буквой "R" - способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Существует три вида термического сопротивления, из за чего очень часто трудно разобраться, о чём идёт речь и кто как считает. Различают:

  • полное термическое сопротивление - величина, обратная коэффициенту теплопередачи;

  • поверхностное термическое сопротивление - величина, обратная коэффициенту теплоотдачи;

  • термическое сопротивление слоя - величина, равная отношению толщины слоя к его коэффициенту теплопроводности. Именно этот вид теплосопротивления используется при расчёте сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

  При общих равных условиях теплосопротивление, это отношение разности температур по краям изоляционного материала к величине теплового потока (теплопередача на единицу площади, Q) проходящего сквозь него,  R=ΔT/Q. Коэффициент теплопередачи материала (Q) обратно пропорционален теплосопротивлению (R), Q=1/R. и наоборот, R=1/Q. Чем больше это число, тем лучше эффективность изоляции.

     В метрической системе СИ теплосопротивление измеряется разностью температуры в Кельвинах (либо в градусах Цельсия), требуемой для переноса 1 Вт энергии на 1м² площади (C·м²/Вт).  Рассчитывается коэффициент теплосопротивления по формуле R=d/λ, где d - толщина слоя материала в метрах, λ - коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С). Чем больше полученное значение R, тем лучше его теплоизоляционные свойства. 

  Для строительных конструкций, например для стены, коэффициент термосопротивления состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (внутри помещения Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043) или от стены фасаду (Rse=0,083). 

    Давайте попробуем разобраться на конкретном примере. Возьмём стену каркасного дома, состоящую из плиты OSB-3 толщиной 12мм, затем слой минваты фирмы Технониколь "Техноблок", толщиной 200мм (именно эту фирму выбрал по принципу известности и по наличию доступной полной технической информации по каждому материалу в формате PDFЯ не продаю, и не рекламирую эту фирму - просто пользуюсь их данными), после минваты слой мембраны влаговетрозащиты, вентзазор на контррейках шириной 40мм и внешняя обшивка стены. Поскольку воздух вентзазора должен сообщаться с внешним воздухом, то теплоизоляционные свойства внешней отделки на общий показатель не оказывают влияния. Коэффициент теплопроводности OSB плиты λ=0.13 Вт/м·°С, коэффициент минваты λ=0.037Вт/м·°С. R(OSB)=0.012/0.13=0.0923, R(минвата)=0.2/0.037=5.4054. Итого, коэффициент теплосопротивления стены составит R(стена) =R(se) + R(OSB) + R(минвата) + R(si)=5.6557 C·м²/Вт.  Если в помещении мы будем поддерживать температуру +22°С при морозе на улице -28°С, то температурная разница ΔT составит 50°С. Зная эти данные можем посчитать потери тепловой мощности через 1м² стены, W=50(°С) / 5.6557(C·м²/Вт)=8.85 Вт/м². Если, например, стены дома из прошлого примера размером 10х10м и высотой 3 метра имеют площадь 120м², теплопотери через все стены составят 1062 Вт. Если допустить, что такой холод продержится 1 месяц, то потери тепла через эту стену составят 1.062кВт · 24ч · 31день=790,128 кВт·ч. Хорошо, что такие холода для нашего региона редкость!=)   

     Для наглядности и упрощения и без того не сильно сложных расчётов я подготовил для вас флеш-калькулятор, умеющий считать значение теплосопротивления R и мощность тепловых потерь с одного квадратного метра ограждающей конструкции за произвольный период. Калькулятор учитывает коэффициент теплоотдачи внутренней и наружной поверхности в соответствии с правилами строительной климатологии КТП 45-2.04-2006.  

Теплосопротивление
Нормы теплосопротивления РФ

К чему стремиться?

    Вслед за странами Европы, в Российской Федерации и у нас в Беларуси приняли новые нормы теплосопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" прежние нормы теплосопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. В российском СНиПе есть таблица "Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций" (слева картинка). Как и следовало ожидать, нормы по теплосопротивлению зависят от окружающей температуры и длительности отопительного периода. Эта зависимость описывается таким понятием, как "Градусо-сутки отопительного периода" или ГСОП, это условная единица измерения повышения среднесуточной температуры над заданным минимумом (базовой температурой). Показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода.

ГСОП=(tv-t8)·z8, где

tv - расчётная температура внутреннего воздуха в зимний период (по ГОСТу равна 20°С),

t8 - средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С,

z8 - продолжительность (в сутках) периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С.

Данные t8 и z8, а так же массу других интересных данных можно взять из таблиц СНиП 23-01-99 "Строительная климатология". В документе есть данные не только по России, но и по Беларуси, Грузии, Казахстану, Кыргызии, Молдове, Туркменистану, Узбекистану и Украине.

     Не смотря на всеобщий охват нормативной базы данных в российских документах, белорусские документы всё-же отличаются  (ТКП 45-2.04-43-2006 Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования.)

      Что же предписывает нам этот ТКП?    

      В связи с небольшой географической протяжённостью нашей страны требования к коэффициенту сопротивления теплопередаче у нас выражаются безо всяких формул, ГСОПов и прочих расчётов одной цифрой для всех регионов! Сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций R при строительстве жилых зданий, за исключением наружных дверей, ворот и ограждающих конструкций помещений с избытками явной теплоты, следует принимать не менее:

  • Наружные стены зданий - 3,2;

  • Совмещённые покрытия, чердачные перекрытия и перекрытия над проездами - 6,0;

  • Перекрытия над неотапливаемыми подвалами и техническими подпольями - 2,5;

  • Заполнение световых проёмов для всех типов зданий - 1,0.

Итак, мы видим, что наши отечественные требования всё-же более высокие, чем у наших соседей россиян, при том, что климат нашей страны в целом теплее.

        Вот к этим характеристикам и нужно стремиться, чтобы соответствовать современным стандартам!

Интереса ради мне попалась таблица, отражающая нормы ряда европейских стран по показателю R.

Как стремиться?

    Высчитав требуемый по ГОСТу коэффициент R и зная коэффициент теплопроводности λ  можно легко перевести это в толщину того или иного утеплителя. Как я уже писал, коэффициент R рассчитывается по формуле  R=d/λ, где d - толщина слоя материала в метрах, λ - коэффициент теплопроводности материала (Вт/м·°С), R состоит из сумм коэффициентов каждого из материалов, составляющих конструкцию + коэффициент теплопередачи от воздуха стене (Rsi=0.115 C·м²/Вт) + коэффициент теплопередачи от стены наружному воздуху (Rse=0,043).

  Отсюда толщина утеплителя d=(R-Rsi-Rse)*λ. Возьмём, например, эковату с коэффициентом теплопроводности λ=0,048 и посчитаем толщину утеплителя для стены каркасного дома в Беларуси.

d=(3,2-0,115-0,043)*0,048=0,146 м.

    К сожалению, любая стена является теплотехнически неоднородным объектом, и для нашего примера необходимо ввести в формулу коэффициент теплотехнической однородности, учитывающий повышенную теплопроводность самого деревянного каркаса, k = 0,8. Тогда формула получится такой:

d=(3,2-0,115-0,043)/0,8*0,048=0,183 м.

Округлив, получаем 20 см эковаты - этого достаточно, чтобы дом соответствовал стандарту.

    Еще пример, рассчитаем толщину пенопласта БПС-25 для утепления дома из газобетона D500 с толщиной блока 30см в Бресте. λ газобетона=0,16, λ БПС-25=0,043. Rгазобетона=0,3/0,16=1,875. Коэффициент однородности по кладке k=0,9. 

d=(3,2-1,875-0,115-0,043)/0,9*0,043=0,056.

Для утепления такого дома потребуется 6 см пенопласта марки БПС-25. Как видите, расчёт не сложный и не требует знания высшей математики! 

Утепляйтесь на здоровье!

И не верьте рекламе!

 

P.S. Если вас интересует дополнительная информация про теплофизические свойства материалов, рекомендую

посетить вот этот сайт - ооочень много таблиц и информации на эту тему!

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова