Чем меньше значение λ (лямбда), тем ниже теплопроводность материала и, следовательно, тем лучше он изолирован от потери тепла. Это означает, что через материал с более высокой теплопроводностью при одинаковых условиях будет проходить больше тепла.
Теплопроводность материалов
В последние годы при строительстве или ремонте домов большое внимание уделяется энергоэффективности. При нынешних ценах на топливо это очень важно. И похоже, что в будущем экономия денег будет приобретать все большее значение. Для того чтобы правильно выбрать состав и толщину материалов в ограждающей конструкции здания (стены, полы, потолки, крыши), необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковке материалов и необходима на этапе проектирования. Наконец, необходимо решить, какой материал использовать для стен, какую изоляцию применять и какой толщины должен быть каждый слой.
При выборе строительных материалов для строительства важно обращать внимание на их свойства. Одной из ключевых характеристик является теплопроводность. Она определяется коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое материал может провести за единицу времени. Это означает, что чем ниже коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше коэффициент, тем лучше теплоотдача.
Материалы с низкой теплопроводностью используются для изоляции, а материалы с высокой теплопроводностью – для передачи или рассеивания тепла. Например, радиаторы изготавливаются из алюминия, меди или стали, поскольку они хорошо передают тепло, т.е. имеют высокий коэффициент теплопроводности. Материалы с низким коэффициентом теплопроводности используются для изоляции – они лучше сохраняют тепло. Если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчете вычисляется теплопроводность каждого компонента "пирога", и найденные значения складываются. В результате суммы получается теплоизоляционная способность ограждающей конструкции (стены, пол, потолок).
Таблица теплопроводности изоляционных материалов
Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, теплопроводность стен, пола и крыши должна быть не ниже определенного значения, которое рассчитывается для каждого региона. Состав "пирога" стен, пола и потолка, толщина материалов учитываются так, чтобы общее количество было не меньше (а лучше – хотя бы чуть больше) рекомендованного для данного региона.
При выборе материалов следует учитывать, что некоторые (не все) из них гораздо лучше проводят тепло в условиях повышенной влажности. Если такая ситуация может возникнуть при длительной эксплуатации, в расчетах используется теплопроводность для этого условия. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, используемых для изоляции, приведены в таблице ниже.
| В сухом состоянии | При нормальной влажности | При высокой влажности | |
| Шерстяной войлок | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
| Каменная вата 25-50 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,,045 |
| Минеральная вата 40-60 кг/м3 | 0,035 | 0,041 | 0,044 |
| Каменная вата 80-125 кг/м3 | 0,036 | 0,042 | 0,045 |
| Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3 | 0,037 | 0,043 | 0,0456 |
| Каменная минеральная вата 180 кг/м3 | 0,038 | 0,045 | 0,048 |
| Стекловата 15 кг/м3 | 0,046 | 0,049 | 0,055 |
| Стекловата 17 кг/м3 | 0,044 | 0,047 | 0,053 |
| Стекловата 20 кг/м3 | 0,04 | 0,043 | 0,048 |
| Стекловата 30 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,046 |
| Стекловата 35 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,046 |
| Стекловата 45 кг/м3 | 0,039 | 0,041 | 0,045 |
| Стекловата 60 кг/м3 | 0,038 | 0,040 | 0,045 |
| Стекловата 75 кг/м3 | 0,04 | 0,042 | 0,047 |
| Стекловата 85 кг/м3 | 0,044 | 0,046 | 0,050 |
| Экструдированный пенополистирол (EPS) | 0,036-0,041 | 0,038-0,044 | 0,044-0,050 |
| Экструдированный пенополистирол (EPS, XPS) | 0,029 | 0,030 | 0,031 |
| Пенобетон, газобетон с цементным раствором, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Пенобетон, газобетон с цементным раствором, 400 кг/м3 | 0,11 | 0,14 | 0,15 |
| Пенобетон, газобетон с известковым раствором, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 | 0,13 | 0,22 | 0,28 |
| Пеностекло, крошка, 100-150 кг/м3 | 0,043-0,06 | ||
| Пеностекло, крошка, 151-200 кг/м3 | 0,06-0,063 | ||
| Пеностекло, крошка, 201 – 250 кг/м3 | 0,066-0,073 | ||
| Стеклянная крошка, 251 – 400 кг/м3 | 0,085-0,1 | ||
| Пеноблок, 100 – 120 кг/м3 | 0,043-0,045 | ||
| Пеноблок 121 – 170 кг/м3 | 0,05-0,062 | ||
| Пеноблок 171 – 220 кг/м3 | 0,057-0,063 | ||
| Пеноблок 221 – 270 кг/м3 | 0,073 | ||
| Ecowool | 0,037-0,042 | ||
| Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 | 0,029 | 0,031 | 0,05 |
| Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 | 0,035 | 0,036 | 0,041 |
| Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 | 0,041 | 0,042 | 0,04 |
| Сшитый пенополиэтилен | 0,031-0,038 | ||
| Вакуум | 0 | ||
| Воздух +27°C. 1 атм | 0,026 | ||
| Ксенон | 0,0057 | ||
| Аргон | 0,0177 | ||
| Аэрогель (осиновый аэрогель) | 0,014-0,021 | ||
| Шлаковая вата | 0,05 | ||
| Вермикулит | 0,064-0,074 | ||
| Вспененный каучук | 0,033 | ||
| Пробковые листы 220 кг/м3 | 0,035 | ||
| Пробковые плиты 260 кг/м3 | 0,05 | ||
| Базальтовые маты, холст | 0,03-0,04 | ||
| Пенька | 0,05 | ||
| Перлит, 200 кг/м3 | 0,05 | ||
| Перлитовый керамзитобетон, 100 кг/м3 | 0,06 | ||
| Льняные изоляционные плиты, 250 кг/м3 | 0,054 | ||
| Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 | 0,052-0,145 | ||
| Гранулированная пробка, 45 кг/м3 | 0,038 | ||
| Минеральная пробка на битумной основе, 270-350 кг/м3 | 0,076-0,096 | ||
| Пробковый пол, 540 кг/м3 | 0,078 | ||
| Техническая пробка, 50 кг/м3 | 0,037 |
Методы переходных зон
При использовании метода переходных зон измерения проводятся во время нагрева. Преимуществом является то, что измерения могут быть проведены относительно быстро. Методы переходной зоны обычно проводятся с использованием игольчатых зондов.
Нестационарные методы измерения теплопроводности не требуют подачи сигнала для получения постоянного значения. Вместо этого сигнал проверяется как функция времени. Преимущество этих методов в том, что они могут быть выполнены быстрее, поскольку нет необходимости ждать устойчивого состояния. Недостатком является то, что математический анализ данных обычно более сложен.
Переходный метод горячей проволоки
Метод переходной горячей проволоки (THW) – это очень популярный, точный и достоверный метод измерения теплопроводности газов, жидкостей, твердых тел, наножидкостей и хладагентов в широком диапазоне температур и давлений. Метод основан на регистрации переходного повышения температуры тонкой вертикальной металлической проволоки бесконечной длины при подаче на нее ступенчатого напряжения. Проволока погружается в жидкость и может служить как электрическим нагревательным элементом, так и термометром сопротивления. Метод переходной горячей проволоки имеет преимущества перед другими методами определения теплопроводности в том, что существует полностью разработанная теория и не требуется калибровка или калибровка по одной точке. Кроме того, благодаря очень короткому времени измерения (1 с), в процессе измерения отсутствует конвекция и измеряется только теплопроводность жидкости с очень высокой точностью.
Большинство датчиков THW, используемых в научных кругах, состоят из двух одинаковых, очень тонких проводов, отличающихся только длиной. Однопроволочные датчики используются как в научных, так и в промышленных целях и имеют преимущество перед двухпроволочными датчиками в плане простоты обращения и замены проволоки.
Был опубликован стандарт ASTM для измерения охлаждающих жидкостей двигателя методом однопроволочного горячего провода.
Методы в частотной области
метод 3ω
Одним из популярных методов электротермической характеризации материалов является метод 3ω, при котором тонкая металлическая структура (обычно проволока или фольга) наносится на образец и действует как резистивный нагреватель и резистивный детектор температуры (RTD). Нагреватель приводится в действие переменным током с частотой ω, который вызывает периодический джоулев нагрев с частотой 2ω из-за осцилляции сигнала переменного тока в течение одного периода. Между нагревом образца и температурным откликом будет некоторая задержка, которая зависит от тепловых свойств датчика/образца. Эта температурная реакция измеряется путем регистрации амплитуды и фазовой задержки сигнала переменного напряжения от нагревателя в диапазоне частот (обычно с использованием усилителя с временной разверткой). Обратите внимание, что фазовая задержка сигнала – это задержка между сигналом нагрева и температурным откликом. Измеренное напряжение будет содержать основную и третью гармонические составляющие (ω и 3ω, соответственно), поскольку Джоуль-нагрев металлической конструкции вызывает колебания ее сопротивления на частоте 2ω из-за температурного коэффициента сопротивления (TCR) металлического нагревателя/датчика, как показано в приведенном ниже уравнении:
V = IR = I 0 ei ω t (R 0 + ∂ R ∂ T Δ T) = I 0 ei ω t (R 0 + C 0 ei 2 ω T) e ^ слева (R_ + > Δ T справа) = I_ e ^ слева (R_ + C_ e ^ справа)> ,
где C 0 – константа. Теплопроводность определяется по линейному наклону кривой ΔT как функции log (ω). Основными преимуществами метода 3ω являются минимизация радиационных эффектов и более простой вывод температурной зависимости теплопроводности по сравнению со стационарными методами. Несмотря на то, что требуется некоторый опыт в нанесении рисунка на тонкие пленки и микролитографии, этот метод считается лучшим из существующих псевдоконтактных методов. (ch23)
Метод горячей проволоки в частотной области
Переходный метод горячей проволоки может быть объединен с методом 3ω для точного измерения теплопроводности твердых тел и расплавленных соединений в диапазоне от комнатной температуры до 800 °C. В высокотемпературных жидкостях ошибки, связанные с конвекцией и излучением, приводят к значительным различиям в измерениях теплопроводности в стационарном режиме и во временной области; это очевидно из предыдущих измерений для расплавленных нитратов. Работая в частотной области, можно измерять теплопроводность жидкости с помощью термопары диаметром 25 мкм, устраняя влияние изменений температуры окружающей среды, минимизируя ошибки из-за излучения и минимизируя ошибки из-за конвекции, сохраняя объем менее 1 мкл.
От чего зависит теплопроводность?
Как мы уже отмечали, коэффициент теплопроводности λ (лямбда) характеризует интенсивность передачи тепла через материал.
Например, металлы проводят тепло лучше всего, а газы – слабее. Все электропроводники, такие как медь, алюминий, золото или серебро, также хорошо передают тепло, в то время как электроизоляторы (дерево, пластик, резина), напротив, задерживают его.
Что влияет на этот показатель, помимо самого материала? Например, температура. Теплопроводность изоляционных материалов увеличивается при более высоких температурах, в то время как у металлов она уменьшается. Наличие примесей также может оказывать влияние. Сплавы различных металлов, как правило, имеют более низкую теплопроводность, чем их легирующие элементы.
В целом, теплопроводность веществ зависит в основном от их структуры, пористости и, прежде всего, плотности. Поэтому, если производитель заявляет низкое значение лямбда для материала с низкой плотностью – эта информация обычно не имеет ничего общего с реальностью и является просто рекламной уловкой.
Использование коэффициента теплопроводности в строительстве
Одно простое эмпирическое правило в строительстве заключается в том, что коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Это связано с тем, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньшую толщину теплоизоляционного слоя можно сделать для обеспечения определенного значения коэффициента теплопроводности стены или перегородки.
В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирола, графитовых плит или минеральной ваты) стараются минимизировать толщину продукта за счет уменьшения значения λ (лямбда), например, для полистирола оно составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 для кирпича.
В случае строительных материалов коэффициент теплопроводности не так важен при их производстве, но в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким λ (например, керамические блоки, изоляционные панели, блоки из ячеистого бетона). Эти материалы позволяют возводить однослойные стены (без теплоизоляции) или с минимально возможной теплоизоляцией.
Важно: Коэффициент теплопроводности lambda зависит от плотности материала, поэтому при покупке, например, пенополистирола следует обращать внимание на вес изделия. Если вес слишком мал, то плиты не обладают заявленной теплоизоляцией. Добавим, что производитель обязан указывать заявленное значение коэффициента теплопроводности на каждой упаковке.
Какой самый теплый строительный материал?
В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная вата (базальтовая, каменная). Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и в настоящее время широко используются для утепления домов.
Основные показатели энергоэффективности строительных материалов и конструкций
Давайте разберемся, что такое коэффициент теплопроводности λ (лямбда), теплопроводность R и теплопроводность U.
Тепловые свойства строительных материалов и конструкций имеют три важных показателя (λ, R и U), которые влияют на энергоэффективность зданий. Для того чтобы выбрать технологию строительства, которая наилучшим образом отвечает современным требованиям энергосбережения, необходимо понимать различия между этими параметрами и определяемыми ими свойствами здания.
Эти три параметра тесно связаны между собой. Коэффициент теплопроводности λ является характеристикой материала, а теплопроводность R и теплопередача U зависят от λ и относятся к свойствам конструкции.
Что такое теплопроводность и коэффициент теплопроводности?
Теплопроводность – это способность тел проводить тепловую энергию от нагретых частей к менее нагретым. Теплопроводность определяется количеством тепла, проходящего через толщу материала в единицу времени.
Коэффициент теплопроводности λ – это показатель способности материала толщиной 1 метр передавать тепло в джоулях в секунду при разнице температур в 1 градус Кельвина или Цельсия на противоположных поверхностях материала и измеряется в Вт/(м∙К).
Коэффициент теплопроводности λ
Коэффициент теплопроводности λ в большинстве случаев определяется экспериментально путем измерения теплового потока и градиента температуры исследуемого материала. Он зависит не только от типа материала, но и от температуры, влажности, плотности и т.д.
Средние значения для различных материалов
| Материал | λ, Вт/(м∙К) |
| Армированный бетон | 2,04 |
| Керамический кирпич | 0,75 |
| Ячеистый бетон | 0,23 |
| Дерево | 0,14 |
| Минеральная вата | 0,043 |
| Полистирол (пенополистирол) | 0,037 |
| Экструдированный полистирол | 0,032 |
| Пенополиизоцианурат (PIR) | 0,022 |