ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И МЕХАНИЗМЫ ПРОЦЕССА
Теплоизоляция предназначена для создания благоприятной атмосферы, защиты человека от избытка или недостатка тепла, экономии затрат на отопление, предохранение конструкций от разрушений, возникающих вследствие конденсации водяных паров.
Основные понятия приведены в DIN 4108.
Количество тепла измеряется в ккал (Вт), температура — в °С, разность температур — в K (Кельвин); 1 ккал повышает температуру 1000 воды на 1 градус.
Теплообмен возникает из-за конвекции, проводимости, излучения и диффузии водяных паров: может быть замедлен, но при устройстве теплоизоляции полностью не исключается.
Коэффициент теплопроводности — λ ккал/м • ч • °С, [Вт/мК)] характеризует свойства материала; чем меньше эта величина, тем меньше теплопроводность. Значения по DIN 4108 округлены для удобства при практическом применении. Их нельзя сравнивать с измеряемыми величинами.
Коэффициент теплоизоляции —1/λ м2 • ч • К/ккал [м2К/Вт], характеризует толщину слоя материала: 1/λ = d/λ, где d— толщина слоя в м. Удобнее считать, умножая d’ (толщина слоя в см) на коэффициент D’, т.е 1/λ = d’D’. Значения 1/λ приведены в DIN 4108; кривая распределена температур в конструкции и повреждение от конденсации воды рассмотрены ниже.
Термическое сопротивление 1/λ характеризует теплоизолирующую способность воздушного слоя, прилегающего к конструкции. Чем меньше скорость воздушного потока, тем выше 1/ά: на наружной стороне конструкции 1άн = 0,05, на внутренней—1άн = 0,14, в углах— 0,2 м2 • ч • К /ккал.
Сопротивление теплопереходу —1/k, м2ч°С/ккал [м2•К/Вт], являете суммой сопротивлений конструкции проникновению тепла: 1/k = 1/άвн + 1/λ + 1/ά (обратная величина— это коэффициент теплоперехода K, ккал/м2 • ч • °С, характеризующий потери тепла конструкции и служит основой при расчете систем отопления).
Коэффициент теплопередачи— k, ккал/м2 • ч • °С [Вт/(м2 • К)]. Это o6paтная величина сопротивления теплопереходу. В настоящее время это важнейшая величина для расчёта теплоизоляции. Величины k для различных случаев заданы в «Дополнениях к DIN 4108» и «Указаниях по теплоизоляции зданий». Те же величины принимаются за основу при расчёте систем отопления.
Рассматриваемая величина km равна среднему коэффициенту теплопередачи «окно + стена»; при расчёте учитываются в равной мере значения F и k обоих компонентов:
km равна среднему коэффициенту теплопередачи ограждающей конструкции, рассчитанному при равных долях F и k составных частей конструкции, включая стены (W), окна(Е), крыши (D) площади пола (G) и потолка, омываемые воздухом (DL), с учётом минимальных коэффициентов для крыши и поверхностей:
Теплопередача через строительную конструкцию: часть тепла проходит через внутренний воздушный слой и нагревает воздух помещения у внутренней поверхности конструкции; если количество тепла превышает теплоизолирующую способность конструкции, то оно достигает наружной поверхности, затем проходит через внешний воздушный слой и попадает в атмосферу (рис. 1).
Разность температур между внутренней и наружной поверхностями при этом распределяется на отдельные слои пропорционально процентному отношению, отражающему их влияние на суммарное сопротивление теплопереходу (рис. 2.)
Пример 2. При 1/Λ = 0,31 получаем соотношение 0,14 : 0,31. 0,05 = 28% : 62% :10%. Тогда на внутреннюю воздушную прослойку приходится 28% х 40 = 11,2 K, т.е. поверхность стены на 11,2 K холоднее воздуха в помещении. Таким образом, чем меньше теплоизоляция слоя, тем ниже температура внутренней поверхности конструкции (рис. 7), так как в ней легче появляется конденсационная влага.
Поскольку кривая распределения температуры зависит от тепло изоляции отдельных слоев, то она имеет вид прямой, если конструктивный элемент изобразить в масштабе теплоизолирующей способности составляющих его слоёв (рис. 5, 6).
В чем измеряется теплоизоляция?
Основной параметр теплоизоляции – это тепловое сопротивление, а сам процесс теплоизоляции описывается формулой, аналогичной закону Ома для электрических цепей.
I = ΔT/R,
где
I – тепловой поток, идущий из теплоизолируемого объёма (Вт) ,
ΔT – разность температур между окружающим воздухом и внутренним объёмом (K),
R – тепловое сопростивление (K/Вт) .
Пример 1. Пусть в доме включён теплонагреватель мощностью 500 Вт и находятся два человека (каждый выделяет примерно 100 Вт тепла) . Температура наружного воздуха — 0ºС, внутри дома – 21 ºС. Найти сопротивление теплоизоляции дома.
R = ΔT/I = (21–0)/(500+100+100) = 21/700 = 0.03 K/Вт.
Пример 2. Если температура воздуха снаружи упадёт до –17ºС, каково должна быть мощность тепловыделения (нагреватель + люди) , чтобы температура внутри осталась постоянной.
I = ΔT/R = (21+17)/0.03 = 48/0.03 = 1600 Вт.
Предупреждение. Вообще-то теплопотери – штука нелинейная и состоят из трёх составляющих: теплопередача, конвекция и излучение. Поэтому считать тепловое сопротивление постоянным можно только приближённо и в достаточно узком диапазоне температур.
Коэффициент теплопроводности
Одной из основных характеристик теплоизоляционных материалов является теплопроводность. Почти у всех есть понимание, что чем она меньше, тем лучше. Но что означает этот термин и что он нам дает? Как сравнить два типа изоляции, используя этот параметр? Предлагаем разобраться
Что такое коэффициент теплопроводности?
Согласно определения в своде правил СП 61.13330.2012:
Само понятие возникло во второй половине XIX века, свойство теплопроводности определяет способность материалов передавать тепловую энергию от более горячего тела к более холодному.
От чего зависит коэффициент?
При изучении данной характеристики было определено, что существует зависимость коэффициента теплопроводности от температуры и других параметров:
- параметров состояния — температуры, давления
- химический состав: такие материалы как металлы — алюминий и медь, обладают высокой теплопроводностью из-за свободно движущихся электронов, которые легко передают тепло
- структура — в пористых материалах воздушные пространства между частицами снижают теплопроводность
- плотность, чаще всего чем выше плотность, тем более высокой теплопроводностью обладает материал
При изменении данных свойств и параметров меняется и теплопроводность.
Обозначение λ0 определяет коэффициент теплопроводности, который получен при испытаниях при температуре 0 °С. При этом температура является среднеарифметическим значением от: (температура на внешней поверхности изоляционного материала + температура на изолируемой поверхности)/2.
По аналогии λ20 — это коэффициент полученный при проведении замеров при температуре 20 °С.
Чтобы рассчитать теплосопротивление слоя нужно его толщину в метрах разделить на коэффициент теплосопротивления материалов, из которых он выполнен.
Как это использовать на практике?
Данная характеристика позволяет определить возможность использования теплоизоляции в определенных условиях. Кроме того, Вы можете сравнивать различные виды теплоизоляционных материалов и выбирать наиболее подходящий.
Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов (таблица)
| Тип теплоизоляции | Пример продукции | Показатель |
|---|---|---|
| Вспененный полиэтилен | Сравнивая продукцию из вспененного полиэтилена можно определить, что при температуре 10 °С минимальным коэффициентом теплопроводности будет обладать теплоизоляция ALMALEN | 0.032 Вт/мК — 0.034 Вт/мК. |
| Вспененный каучук | В данной группе теплоизоляции можно выделить AF/Armaflex | λ0 ºC ≤ 0,033 Вт/(м·К) |
| Базальтовый утеплитель | При выборе материалов из базальтовой ваты, стоит обратить внимание на Цилиндры Paroc HVAC Section AluCoat T | λ10 ºC ≤ 0,034 В/(м·К) |
| Аэрогель | В качестве примеров материала можно рассматривать Аэрогель Joda Carbon SACCT-A | λ10 ºC ≤ 0,019 В/(м·К) |
В чём измеряется теплопроводность
Теплопроводность измеряется в различных единицах в зависимости от системы единиц, которая используется в конкретной стране или отрасли науки. В Международной системе единиц (СИ) коэффициент теплопроводности измеряется в ваттах на метр на кельвин (Вт/м·К) или иногда в милливаттах на метр на градус Цельсия (мВт/м·°C).
Единицы СИ широко применяются в научных и инженерных расчетах, а также в строительстве и промышленности. Иногда в различных странах и отраслях могут использоваться другие системы единиц, и в этом случае коэффициент теплопроводности может быть измерен в других единицах, например, в калориях в час на метр на градус Цельсия (кал/ч·м·°C)
Существует несколько методов для измерения теплопроводности материалов. Один из наиболее распространенных методов — метод плоской стенки или плоской пластины. В этом методе материал образца располагается между двумя плоскими стенками или пластинами, одна из которых поддерживается при постоянной температуре, а другая нагревается. Затем измеряется количество тепла, передающегося через образец, и рассчитывается его коэффициент теплопроводности.
Другие методы включают использование тепловых потоков, таких как метод «горячей проволоки» или метод «горячей пластины», где тепловой источник нагревает образец, и измеряется температурный градиент и тепловой поток через образец.
Коэффициент теплопроводности строительных материалов
При подборе теплоизоляции для рационального использования ресурсов, учитываются материалы оснований и их теплопроводность. Вот данные для некоторых строительных материалов:
| Материал | Плотность, кг/м 3 | Теплопроводность, Вт/(м·град) |
|---|---|---|
| АБС пластик | 1030 — 1060 | 0.13 — 0.22 |
| Алюминий (ГОСТ 22233-83) | 2600 | 221 |
| Блок газобетонный | 400 — 800 | 0.15 — 0.3 |
| Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат | 280 — 1000 | 0.07 — 0.21 |
| Железо | 7870 | 70 — 80 |
| Кирпич красный плотный | 1700 — 2100 | 0.67 |
| Кирпич силикатный | 1000 — 2200 | 0.5 — 1.3 |
| Перлитобетон | 600 — 1200 | 0.12 — 0.29 |
| Шлакобетон | 1120 — 1500 | 0.6 — 0.7 |
| Гипсокартон | 500 — 900 | 0.12 — 0.2 |
| Шлакобетон | 1120 — 1500 | 0.6 — 0.7 |
Правильно ли сравнивать только по λ?
Прежде всего стоит сравнивать показатели, определенные при одной температуре. Существуют различные стандарты определения коэффициента. Могут отличаться «стандартные тепловые режимы»: согласно ГОСТ 7076-99 показатель определяется при 25 °С, а при использовании европейского стандарта EN 12667:2001, нормой является 10 °С.
Также учитывайте планируемые условия эксплуатации материала: влажность, возможное воздействие пара, наличие критических перепадов температуры и так далее.
Измерение теплопроводности является важной процедурой при разработке и характеристике различных материалов, включая изоляционные материалы, строительные материалы, металлы и полимеры. Эти данные помогают инженерам и научным исследователям оптимизировать свойства материалов для конкретных применений, таких как улучшение энергоэффективности зданий или разработка новых теплоизоляционных материалов.
Коэффициент теплопроводности. Выбираем «свою» теплоизоляцию
Коэффициент теплопроводности. Выбираем «свою» теплоизоляцию
Что такое коэффициент теплопроводности и для чего он нужен? Что значит «при 10 °С» или «при 100 °С»? Как правильно сравнить теплопроводность материалов. Первая статья Дмитрия Абрамова из серии «Своя теплоизоляция».
Что такое коэффициент теплопроводности
Точное определение коэффициента теплопроводности дано в своде правил СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.
Из СП 61.13330.2012
Здесь использованы следующие понятия:
Коэффициент — относительная величина, определяющая свойство какого-нибудь процесса или устройства.
Теплопроводность — свойство передавать теплоту от нагретых участков к более холодным.
Изотермическая поверхность — поверхность, температура которой одинакова во всех точках.
Температурный градиент — перепад температур.
По сути, это расчетный коэффициент, который показывает, сколько тепла проводит материал. Коэффициент теплопроводности обозначается символом λ (лямбда).
Для чего нужен коэффициент теплопроводности
Когда вы видите, что коэффициент тепловодности одного материала при 10 °С равен 0,034 Вт/мК, а другого 0,036 Вт/мК, при тех же условиях. Что это означает?
Благодаря коэффициенту теплопроводности вы можете сравнить, какой материал передает больше теплоты, а какой меньше. Чем меньше теплопроводность материала, тем лучшими теплоизоляционными свойствами он обладает.
Для примера сравните коэффициент теплопроводности материалов ALMALEN при 10 °С с другими вспененными полиэтиленами. Он имеет наименьшую теплопроводность в своем классе: от 0,032 Вт/мК до 0,034 Вт/мК.
А если пойти дальше, то коэффициент теплопроводности даст понимание, как изменяется количество передаваемого тепла через один и тот же материал в зависимости от температуры на поверхности изолируемого объекта. Количество передаваемого материалом тепла за промежуток времени называется тепловым потоком.
Определение теплового потока дано в ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».
Тепловой поток — количество теплоты, проходящее через образец в единицу времени.
Из ГОСТ 7076-99
Что значит λ10, λ20, λ100 и так далее
Подробно разобраться в вопросе помогут нормативные документы. Возьмем, например, ГОСТ 32025-2012 (EN ISO 8497:1996) «Тепловая изоляция. Метод определения характеристик теплопереноса в цилиндрах заводского изготовления при стационарном тепловом режиме». Согласно этому методу:
λ10 — это коэффициент теплопроводности, полученный в результате испытаний при среднеарифметическом значении температуры теплоизоляции 10 °С. Среднеарифметическое значение температуры теплоизоляции — сумма температур на изолируемой поверхности и внешней поверхности теплоизоляции, разделенная пополам.
λ100 означает, что испытания проведены при среднеарифметическом значении температуры теплоизоляции 100 °С.
Как правильно сравнивать коэффициент теплопроводности разных материалов
Существуют различные методы определения коэффициента теплопроводности. При сравнении материалов необходимо всегда обращать внимание на сопоставимость и применимость таких методов. То есть необходимо сравнивать коэффициенты теплопроводности, взятые при одной и той же температуре и определенные по одному и тому же стандарту.
Например, по ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме» обычно определяют коэффициент теплопроводности при 25 °С. В то же время большинство европейских стандартов, например EN 12667:2001, определяют коэффициент теплопроводности при 10 °С.
Коэффициент теплопроводности одного и того же материала, измеренный при меньшей температуре, будет всегда иметь меньшее значение и выглядеть якобы предпочтительнее.
Когда кто-то сравнивает различные материалы по непонятно каким коэффициентам теплопроводности — бегите от такого «специалиста». В лучшем случае вы потеряете время.