Что такое теплопроводность и чему равен показатель для разных строительных материалов

При возведении здания строители стараются добиться его энергоэффективности, чтобы условия в помещениях были комфортными. Для этого учитывают теплопроводность строительных материалов. Но, если принято решение самостоятельно заниматься этим процессом, то понадобится изучить все понятия о термине и единице его измерения, чтобы правильно подобрать теплоизоляцию. В связи с тем, что коэффициент теплопроводности разный для материалов, к вопросу нужно подойти ответственно, чтобы избежать ошибки при их выборе.

Теплопроводность – что это такое

Теплопроводностью называется способность всех видов газов, жидкости или материалов передавать тепло. Это значит, что когда объект нагревается с одной стороны, он трансформируется в теплопроводник, т.к. передает свою энергию дальше. При охлаждении процесс происходит также.

Например, если во время приготовления пищи перемешивать продукты деревянной лопаткой, то изменений в температуре не последует. Но, если для этих целей использовать кухонную утварь из металла, то она быстро нагреется так, что держать ее станет в руке невозможно. Таких примеров теплопроводности привести можно немало.

Объяснение этого с точки зрения физики: тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой. Причем ей требуется время, чтобы пройти через стройматериал. Чем больше его нужно, тем ниже скорость передачи тепла.

Так,

• теплопроводность кирпича и стали составляет 0,56 и 58Вт/м●К соответственно;
• древесины – 0,09-0,1;
• песка – 0,35

Можно заметить, что не все материалы обладают одинаковой теплоэффективностью, это зависит от факторов:

1. Пористая структура свидетельствует о ее неоднородности и наличии воздуха в порах.
2. Структура пор – небольшие размеры и их замкнутость приводит к снижению теплового потока.
3. Плотность – чем она выше, тем больше коэффициент проводимости тепла.
4. Влажность – негативный фактор, который повышает скорость теплопередачи. Поэтому надо качественно произвести гидроизоляцию сооружения, правильно сделать вентиляцию и использовать влагоустойчивые стройматериалы.

Формула теплопроводности создана с учетом воздействия температуры на это свойство материала. Выглядит она так:

λ=λ0●(1+b●t), где

• λ0 — коэффициент теплопроводности при 0°С, измеряется который в Вт/м●℃;
• b – справочная величина температуры;
• t – непосредственно температура.

Коэффициент теплопроводности

Зачастую в паспорте стройматериалов указан коэффициент теплопроводности – единица измерения которого Вт/(м●℃). Она характеризует любой материал как проводник тепла. В формуле она определяется греческой буквой λ.

Данный коэффициент демонстрирует способность используемого материала передавать тепло на определенную дистанцию за время. При этом показатель определяет именно сырье, а его размеры значения не имеют.

Рассчитать коэффициент теплообмена можно для материала строительного и иного назначения. Например, коэффициент теплоотдачи стали использовать как теплоотвод или теплообменник. Но для больше части стройматериалов ситуация обратная – чем меньше этот показатель для стен, тем меньше тепла здание потеряет зимой.

Сопротивление теплопередаче

Коэффициент теплопередачи – это показатель, характеризующий используемый материал. Но, как показывает практика, лучше оперировать какой-то величиной, которая будет описывать теплопроводные способности определенного сооружения. Иными словами, учитываться должны особенности его строения и параметров.

Термическое сопротивление – это и есть такая величина. Можно считать, что она обратная коэффициенту теплопроводности и учитывающая толщину стройматериала. Для этого показателя существует следующее обозначение – R. Формула при этом выглядит следующим образом:

R = h/λ, где

• R — сопротивление теплопередаче однослойной однородной ограждающей конструкции, м²•℃/Вт;
• h — толщина этого слоя в метрах;
• λ — коэффициент теплопроводности материала конструкции, Вт/(м•℃).

Часто стены сооружают многослойными, один слой при этом – утеплитель с низким коэффициентом теплопроводности. Благодаря такому подходу нужный показатель повышается. Это связано с тем, что надо прибавить все слои сопротивления теплопередаче, из которых состоит ограждающая конструкция. Не стоит забывать и о суммировании приграничных слоев воздуха внутри и снаружи сооружения.

Таблица теплопроводности материалов

Для стен, перекрытий, и полов используют разные материалы, но часто теплопроводность гипсокартона и других строительных материалов сравнивают с кирпичом. Его знают все, поэтому проводить аналогии с ним намного проще. Но для кирпичных стен надо выбрать теплоизоляцию, т.к. они обладают высокой теплопроводностью.

Строительные материалы

Коэффициент теплопроводности строительных материалов указан в таблице. В ней отражены нормативные показатели, демонстрирующие теплоизоляционные свойства.

Строительный материал	Плотность, кг/м³	Теплопроводность, Вт/м•К
Бетон	2400	1,51
Железобетон	2500	1,69
Керамзитобетон	500	0,14
	1800	0,66
Пенобетон	300	0,08
Пеностекло	400	0,11

Эти значения используют, если надо рассчитать:

• теплоизоляцию фасадов;
• общестроительную изоляцию;
• сколько понадобится изоляционных материалов при устройстве крыши;
• техническую изоляцию.

Такие простые вычисления уже в начале проектирования позволят определить более подходящие материалы и их количество.

Показатель теплопроводности металлов (железа, алюминия и пр.) тоже имеет значение в строительстве, например, при выборе батареи в помещение. Кроме этого, эти значения пригодятся в процессе сварки ответственных сооружений, производстве полупроводников и изоляторов разного типа. Таблица теплопроводности металлов поможет быстро найти нужное значение.

Металл	Коэффициент теплопроводности при температуре, °C
	-100	0	100	300	700
Алюминий	2,45	2,38	2,3	2,26	0,9
Бериллий	4,1	2,3	1,7	1,25	0,9
Ванадий	—	—	0,31	0,34	—
Висмут	0,11	0,08	0,07	0,11	0,15
Вольфрам	2,05	1,9	1,65	1,45	1,2
Гафний	—	—	0,22	0,21	—
Железо	0,94	0,76	0,69	0,55	0,34
Золото	3,3	3,1	3,1	—	—
Индий	—	0,25	—	—	—
Иридий	1,51	1,48	1,43	—	—
Кадмий	0,96	0,92	0,9	0,95	0,44
Калий	—	0,99	—	0,42	0,34
Кальций	—	0,98	—	—	—
Кобальт	—	0,69	—	—	—

Таблица теплопроводности воздуха поможет правильно рассчитать показатель теплообмена. Все расчеты зависят от температуры окружающей среды.

Температура, °C	Теплопроводность, Вт/м•град
-50	0,0204
-40	0,0212
-30	0,022
-20	0,0228
-10	0,0236
0	0,0244
10	0,0251
20	0,0259
30	0,0267
40	0,0276
50	0,0283

Судя по данным из таблицы, с увеличением температуры показатель теплопроводности также растет.

Теплоизоляционные материалы

В основном надо учитывать показатель теплопроводности изоляционных материалов. Важно помнить, что если у металлов он зависит от температуры воздуха, то у утеплителей главную роль играет плотность.  По этой причине в таблице расставлены результаты с учетом плотности используемого материала.

Теплоизоляция	Плотность, кг/м³	Теплопроводность, Вт/м•К
Минеральная вата (базальтовая)	50	0,048
	100	0,056
	200	0,07
Стекловата	155	0,041
	200	0,044
Пенополистирол	40	0,038
	100	0,041
	150	0,5
Пенополистирол экструдированный	33	0,031
Пенополиуретан	32	0,023
	40	0,029
	60	0,035
	80	0,041

Перед тем, как сделать окончательный выбор, надо взять во внимание тот факт, что некоторые из представленных материалов при повышенной влажности значительно лучше проводят тепло. В случае, когда во время его использования существует вероятность наступления такой ситуации надолго, для расчета надо применять теплопроводность именно для такого состояния.

Для чего рассчитывается теплопроводность

Коэффициент теплопередачи поможет рассчитать без ошибок толщину несущих стен с учетом утеплителей. Процент потери тепла в здании составляет:

• по 30% через кровлю и стены;
• 10% — сквозь полы;
• 20% приходится на окна и двери.

Иными словами, при неправильном расчете, жители такого дома будут использовать только 10% тепловой энергии, исходящей от радиаторов отопления.

Как рассчитать толщину стены

Для этого понадобится суммировать коэффициенты теплопроводности всех материалов, которые были использованы при возведении стены. Это неудивительно, т.к. часто этот элемент возводят в несколько слоев. Так, коэффициент теплопроводности кирпича, наружного слоя штукатурки и облицовки надо учесть, как и выравнивающие материалы, используемые для внутренних работ (листы из гипсокартона, плиты, панели и пр.). Показателем воздушной прослойки тоже не стоит пренебрегать.

Существует удельная теплопроводность для каждого региона страны, которую берут за основу вычислений. Важно помнить, что расчетная величина не должна быть больше удельной. В таблице приведены значения по городам, которые рассчитывались с учетом средней температуры и уровня влажности:

Населенный пункт	Теплопроводность
Москва	3,14
Санкт-Петербург	3,18
Ростов-на-Дону	2,75
Сочи	2,1

Чем южнее, тем показатель должен быть меньше. Следовательно, толщину стены можно уменьшить.

Определение теплопроводности стройматериалов — важный этап при возведении зданий. Благодаря ему в помещении можно обеспечить комфортные условия проживания: зимой в нем не будет холодно, а летом — жарко. Поэтому пренебрегать им не стоит. Кроме этого, нужно знать, от чего зависит теплопроводность.