Теплопроводность стен: от чего зависит и как рассчитать

О чем речь? К теплопроводности стен в сегодняшнем строительстве предъявляются строгие требования. Минимизации таких потерь уделяется пристальное внимание, так как в первую очередь это экономия средств.

Что влияет? Теплопроводность стен зависит от материалов, из которых они возведены, а также утепления фасада. Важно выбирать такие, которые устойчивы к влаге. Вода, скапливаемая в блоках или минвате, снижает теплопроводность в три раза.

Значение теплопроводности стен

Среди основных тенденций в современном строительстве не последнее место занимает повышение энергоэффективности зданий, которая подразумевает создание и поддержание комфортного микроклимата при минимальных затратах энергии. Многие строители, возводящие загородные дома собственными силами, далеки от достижения высоких показателей, однако с развитием технологий эта задача становится вполне выполнимой.

В первую очередь необходимо свести к минимуму потери тепла через стены и элементы несущих конструкций. Для этих целей необходима эффективная термоизоляция, которая должна выполняться после проведения соответствующих расчетов.

Оптимальный вариант – проведение работ специалистами, однако стремление к экономии средств часто заставляет будущего владельца загородного дома браться за проектирование самостоятельно. Понятно, что в этом случае о глубоких познаниях в строительной теплотехнике говорить не приходится.

Как мы знаем из школьного курса физики, любому твердому материалу, жидкости или газу свойственна способность передавать тепловую энергию. Иначе говоря, при нагревании любого объекта он превращается в проводник, то есть нагревается сам, а также передает энергию телам, с которыми контактирует. Аналогичный эффект, но с обратным знаком, есть и при охлаждении.

Из собственной практики каждый знает, что способностью проводить тепло материалы обладают в разной степени и могут значительно отличаться друг от друга по этому параметру. Мы можем наглядно убедиться в этом, помешивая вскипевший в кастрюле суп с помощью деревянной или металлической ложки. Последняя очень быстро нагревается так, что ее трудно удерживать в руке.

Подобные примеры окружают нас повсюду. Можно дотронуться руками до предмета из пластика, а потом – до стекла. Ощутите, что пластмасса теплее, а от стекла исходит холодок. Однако у всех предметов, находящихся в доме, должна быть примерно равная температура. Дело в том, что стекло интенсивнее отводит тепло, и мы субъективно воспринимаем его как более холодное.

Что такое теплопроводность стен

С теоретической точки зрения теплопроводностью называют свойство твердых тел, жидкостей и газов, проявляющееся в передаче особой энергии более холодным частям более нагретыми, которая происходит при хаотическом движении атомов, молекул, электронов и других частиц. В строительстве этим термином обозначают тепловые потери, которые происходят через стены и конструктивные элементы зданий.

Материалы, применяемые при возведении домов, обладают этим свойством в разной степени – древесина, к примеру, проводит тепло слабее, металл – лучше.

Поскольку нагреваемые предметы передают более холодным этого вида энергию, данный процесс продолжается до выравнивания температур. При постройке дома и выборе материалов для возведения стен, необходимо принимать во внимание их теплопроводность (она по возможности должна быть минимальной).

Чтобы уменьшить прогревание помещений солнечными лучами, лучше всего использовать покрытия с высокой отражающей способностью – оцинкованный металл, зеркальные панели и т. п. Если стоит задача увеличить этот эффект, стоит обратить внимание на материалы, хорошо поглощающие свет, наподобие битума или рубероида.

Теплопроводность стен выражается коэффициентом, значение которого зависит от количества данной энергии, проходящей сквозь 1 000 мм их толщины в течение одного часа. Им пользуются при расчете характеристик теплоизоляции, необходимой для улучшения сбережения температуры в помещениях и способности материалов к быстрому ее отведению или наоборот – длительному сдерживанию внутри конструкций.

Что влияет на теплопроводность стен

Передача данного вида энергии происходит за счет хаотического движения частиц. В воздухе их плотность невысока, а значит, материалы с пористой структурой обладают способностью проводить температуру в меньшей степени. Плотность, размер и форма пустот сильно влияют на теплопроводность.

Энергоэффективность, как уже говорилось, также сильно зависит от отражающей способности материалов. Покрытия с зеркальной поверхностью резко снижают количество тепловой энергии, получаемой ими от солнца или обогревательных приборов.

На передачу энергии сильно влияет и содержание влаги. За счет хорошей способности воды проводить тепло в сыром воздухе теплопроводность возрастает. При высокой влажности снижается способность стен препятствовать охлаждению/прогреванию помещений.

Еще один фактор, серьезно влияющий на способность материалов проводить тепло – наличие слоев или волокон. Примером может служить структура деревянных торцевых шашек, используемых в качестве напольного покрытия.

Теплопроводность этого материала существенно выше, чем у досок или щитов, также используемых в этих целях. Причина – в термическом сопротивлении, которое в волокнистых изделиях вдвое выше в направлении, поперечном волокнам. Сказанное касается и искусственных слоистых покрытий.

Кроме того, способность проводить тепло зависит от того, какие стройматериалы находятся в плотном контакте друг с другом. К примеру, кирпичная стена, обшитая стальными листами, будет обладать большей теплопроводностью. Однако возможен и другой эффект.

Если два материала будут разделены воздушной прослойкой, термическое сопротивление резко возрастет. Это важно для изготовителей стеклопакетов. В строительстве также часто используют этот эффект, оставляя пустое пространство между напольным покрытием и бетонной стяжкой или внутри стен.

Коэффициент теплопроводности материала

Для оценки способности разных материалов проводить данную энергию принято пользоваться коэффициентом теплопроводности (КТП), который обозначают буквой греческого алфавита – лямбдой (λ). Принятая для него единица измерения: Вт/(м × K). Часто для расчета используют формулу с указанием вместо градусов Кельвина эквивалента по Цельсию – это никак не влияет на точность вычислений.

Коэффициент теплопроводности в применении к стенам служит показателем способности материалов к передаче определенного количества тепловой энергии на заданное расстояние за тот или иной временной промежуток. Важно понимать, что данная специальная единица используется как удельная характеристика конкретного материала без учета каких-либо размеров.

Этот показатель рассчитан для подавляющего большинства ресурсов, в том числе и тех, что используются в строительстве. Далее мы приведем ряд таблиц с указанием КТП, которым обладают растворы, бетоны, кирпичная и каменная кладка, утеплители, древесина, металлы и т. д. Даже при беглом ознакомлении с ними можно увидеть, как сильно отличаются значения.

Паспортные характеристики, которые можно найти в сопроводительной документации к разным строительным ресурсам, часто содержат указание коэффициента теплопроводности. Ряд материалов, которым свойственен высокий показатель, к примеру – металлы, часто используется в теплоотводах и теплообменниках. Ярким примером может служить их применение при изготовлении радиаторов отопления, эффективность работы которых напрямую зависит от способности стенок батареи проводить этот вид энергии.

С большинством стройматериалов дело обстоит иначе. Чем лучше ресурс, используемый при возведении условного здания, проводит тепло, тем быстрее воздух в помещениях будет охлаждаться в морозы и прогреваться в жару. Соответственно для поддержания комфортной температуры может понадобиться большая толщина стен.

Особенности расчёта теплопроводности стен

Сегодня в Российской Федерации принято пользоваться поэлементным нормированием сопротивления передаче тепла, когда для каждой наружной части зданий приняты минимально допустимые значения. В этот перечень входят стены, окна, крыши и перекрытия.

В Европе и США практикуются иные подходы к повышению энергоэффективности строений, когда за основу берутся удельные теплопотери. Смысл заключается в привязке требуемых значений удельной потребности в энергозатратах на отопление к выбору вида материала, из которого изготавливают ограждающие конструкции.

Иными словами, для нормирования там применяется расчет энергозатрат, необходимых для отопления 1м² площади помещений и застройщик может сам определять способы достижения расчетных величин. Этим (в сочетании с более высокими среднегодовыми температурами) и обусловлена мода на большие окна.

При этом важно иметь в виду, что большая площадь остекления на фасадах зданий на Западе сочетается с использованием альтернативных систем отопления. В относительно мягком климате отличный эффект дает подача теплого воздуха в пространство между внутренними и наружными стеклами.

В наличии

Смесь сухая «Пескобетон» М-300

Купить

Подробнее

В наличии

Штукатурка цеметная AS 115

Купить

Подробнее

В наличии

Монтажный клей для блока

Купить

Подробнее

В наличии

Плиточный клей AS08

Купить

Подробнее

В наличии

Штукатурка гипсовая AS 05

Купить

Подробнее

Для России с суровыми погодными условиями в значительной части регионов такой подход нецелесообразен и стал бы возможен только при наличии окон, которые по теплопроводности могут сравниться со стенами.

Если мы обратимся к справочникам, то обнаружим упоминание трех значений КТП для всех материалов (можно столкнуться и с большим числом, ведь этот показатель зависит от температурных колебаний). Также в число факторов, влияющих на него, входит влажность.

Данная зависимость работает с большинством стройматериалов – насыщение влагой ведет к увеличению коэффициента теплопроводности. Для выполнения точных расчетов важна привязка к реальным условиям, в которых будут эксплуатироваться стены и прочие конструкции здания.

За основу при работе над проектной документацией берутся расчетные значения, относящиеся к сухому материалу в условиях лаборатории. Однако в реальности необходимо принимать в расчет конкретные условия эксплуатации. Точнее, берутся условные режим А и режим Б, которые учитывают климатические особенности в регионе и условия эксплуатации возводимого строения.

Методы определения коэффициента теплопроводности

КТП можно определить двумя методами:

• Стационарный – этим способом пользуются при работе с параметрами, неизменными или меняющимися на незначительные величины на большом временном отрезке. Преимуществом является высокая точность вычислений, а минусом – сложная регулировка в ходе эксперимента, который проводится с применением множества термопар и отнимает много времени. Этот способ используют при вычислении КТП жидкостей и газов без учета передачи тепла путем конвекции и излучения.
• Нестационарный – этот метод проще и на выполнение эксперимента требуется от 10 минут до получаса. Помимо определения КТП он применяется для вычисления температурной проводимости и теплоемкости исследуемых материалов.

Для определения способности строительного материала проводить данную энергию пользуются специальными электронными приборами, к примеру – ИТП-МГ4 «Зонд», имеющим широкий рабочий температурный диапазон и низкую погрешность измерений.

Теплопроводность различных материалов и утеплителей для стен

В приведенной ниже таблице указаны значения термического сопротивления для материалов, которые часто используются при возведении стен:

В данной таблице приведены значения термического сопротивления наиболее широко применяемых утеплителей:

Приведенные данные свидетельствуют о том, что ни один материал сам по себе при разумной толщине стены не может обеспечить теплопроводность, которая отвечала бы действующим нормативам. В любом случае необходимо использовать утеплитель.

Теплопроводность стен дома в значительной степени зависит от влажности. Насыщение минеральной ваты водой на 5 % в 2 раза снижает сопротивление теплопередаче. Влага при испарении также способна отбирать у стен колоссальное количество данной энергии. Сырость может привести к серьезным дополнительным затратам на отопление.

Часто задаваемые вопросы о теплопроводности стен

• Как рассчитывается КТП стен?

Расчет теплопроводности стены рассчитывают по формуле:

λ = Q / S × (T1 - T2) × t,

где:

Q – количество тепла;

S – толщина стены;

T1, T2 – температуры с двух сторон стены;

t – время.

Средняя величина плотности и теплопроводности обратно пропорциональна величине пористости.

• Как рассчитывается толщина стен?

Требуется найти сумму КТП всех материалов, которые будут использоваться при строительстве. Например, при вычислении этого показателя для кирпичной стены необходимо брать в расчет характеристики выравнивающих материалов – гипсокартонных листов, плитки, сайдинга и т. п. Также не следует забывать о воздушной прослойке.

• Какой материал больше подходит для возведения стен – кирпич или дерево?

Дерево обладает втрое меньшей теплопроводностью, чем кирпич. Этот материал предпочтительнее с точки зрения энергоэффективности. Равные показатели с точки зрения сбережения температуры будет иметь кирпичная стена, которая в 3 раза толще деревянной.

Итак, энергоэффективность здания определяется теплопроводностью и КТП материалов, используемых при возведении стен (эти показатели зависят от плотности, волокнистости и влажности). Если требуется, чтобы они быстрее отдавали температуру, следует пользоваться стройматериалами с высокой способностью передавать энергию. В регионах с суровым климатом стены необходимо дополнительно утеплять, чтобы сократить затраты на отопление.

Автор статьи Редакция сайта Академия Смеси