Теплопроводность строительных материалов: какой материал самый энергоэффективный

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами. Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь. Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев. Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция. Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ. Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом. Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Коэффициент материалов из бетона

Бетонный раствор – это неоднородная цементно-песчаная смесь, которая имеет сложную структуру. Его коэффициент зависит от конкретного состава.

Узнать теплопроводность бетона можно по таблицам или по характеристике конкретной марки. Средние значения следующие:

1. Теплопроводность железобетонной плиты плотностью 2,5 – 1,7.
2. Пенобетона – 0,08-0,29.
3. Керамзитобетона – 0,14-0,66.
4. Красный глиняный кирпич – 0,56.
5. Силикатный кирпич – 0,7.
6. Блоков из газосиликата – 0,072-0,165.
7. Теплопроводность штукатурки – 0,1-1.

Точные данные теплопроводности бетонной стены зависят от конкретных марок и их характеристик.

Использование

Материал

До наших дней древесина тополя и осины из-за своей износостойкости, хорошей обрабатываемости и относительно малого веса, наряду с абачи используется для изготовления протезов. Однако деревянные протезы всё чаще заменяются искусственными материалами.

Деревянные башмаки делают в Нидерландах в основном из осины

Эта древесина поступает на рынок в виде , стружки и пиломатериалов, всё больше утилизируется для получения энергии (как возобновляемое топливо на тепловых станциях).

В Германии около 40 % древесины осины и тополя перерабатывается в ДСП в разных формах. Самым крупным потребителем осинового лущёного шпона является спичечная промышленность, кроме того лущёный шпон используется для производства фанеры, клееных блоков для гнутых деталей, корзин для фруктов и овощей, а также подарочных упаковок. Из этой древесины изготавливается также строганный шпон.

Около четверти производимой в Германии древесины перерабатывается в пиломатериалы. Она находит применение в обувной промышленности, а также для лежанок и скамей в банях. Также из этой древесины делают поддоны и ящики.

Из осины делают древесный уголь, находящий применение для рисования и в химической промышленности, та же древесина используется для изготовления кульманов, бытовых приборов, зубочисток и лопат для снега. Это дерево подходит для ДВП и производства целлюлозы и бумаги.

Топливо

Теплота сгорания осины, составляющая 19,8 МДж/кг, лежит между елью и буком, но из-за малой плотности выход энергии на единицу объёма меньше чем у других видов топливной древесины.

Наряду с ивами тополя как быстрорастущие деревья представляют собой важнейшие виды для лесных хозяйств короткого цикла.

Теплопроводность материалов: параметры

Принято условное разделение материалов, применяемых в строительстве, на конструкционные и теплоизоляционные.

Конструкционные материалы применяются для возведения ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий). Они отличаются большими значениями теплопроводности.

Значения коэффициентов теплопроводности сведены в таблицу 1:

Нестационарные методы определения коэффициента теплопроводности используются, в частности, в тех случаях, когда применение метода сляба не может быть применено. Более низкая надежность измерения компенсируется, в частности, быстрой реализацией эксперимента. Оценка эксперимента быстро и может быть алгоритмизирована для онлайн-обработки компьютером.

В этой статье приведены данные по теплопроводности для выбора общих материалов. Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать тепло через него через проводимость. Теплопроводность материала сильно зависит от состава и структуры. Вообще говоря, плотные материалы, такие как металлы и камень, являются хорошими проводниками тепла, в то время как вещества с низкой плотностью, такие как газ и пористая изоляция, являются плохими проводниками тепла. Теплопроводность материалов требуется для анализа при изучении теплообмена в системе.

Таблица 1

Подставляя в формулу (2) данные, взятые из нормативной документации, и данные из Таблицы 1, можно получить требуемую толщину стен для конкретного климатического района.

При выполнении стен только из конструкционных материалов без использования теплоизоляции их необходимая толщина (в случае использования железобетона) может достигать нескольких метров. Конструкция в этом случае получится непомерно большой и громоздкой.

В статье. В следующих таблицах показаны теплопроводности для обычных веществ. Строительные материалы или строительные материалы являются основным требованием в этот современный век технологии. Существует много типов строительных материалов, используемых для различных строительных работ.

Свойства строительных материалов

Для того чтобы материал рассматривался как строительный материал, он должен обладать необходимыми инженерными свойствами, подходящими для строительных работ. Эти свойства строительных материалов отвечают за его качество и мощность и помогают решать их применение.

Допускают возведение стен без использования дополнительного утепления, пожалуй, только пенобетон и дерево. И даже в этом случае толщина стены достигает полуметра.

Основной их диапазон лежит в пределах от 0,03 до 0,07 Вт/(м*°С). Наиболее распространенные материалы – это экструдированный пенополистирол, минеральная вата, пенопласт, стекловата, утепляющие материалы на основе пенополиуретана. Их использование позволяет значительно снизить толщину ограждающих конструкций.

Процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой называется теплопроводностью. Числовое значение такого процесса отражает коэффициент теплопроводности материала. Это понятие является очень важным при строительстве и ремонте зданий. Правильно подобранные материалы позволяют создать в помещении благоприятный микроклимат и сэкономить на отоплении существенную сумму.

Пористость строительных материалов

Пористость дает объем материала, занимаемого порами. Это отношение объема пор к объему материала. Пористость влияет на многие свойства, такие как теплопроводность, прочность, насыпная плотность, долговечность и т.д.

Долговечность строительных материалов

Свойство материала противостоять совместному действию атмосферных и других факторов известно как долговечность материала. Если материал более прочный, он будет полезен для более длительного срока службы. Стоимость обслуживания материала зависит от долговечности.

Преимущества и недостатки теплоизоляторов

Пенополиуретан

Считается одним из самых эффективных утеплителей современности.

Преимущества: монтаж однородного бесшовного покрытия, долгий срок службы, отличная изоляция от холода и влаги.

Недостатки: высокая стоимость материала, слабая устойчивость к УФ-излучению.

Пенополистирол (или пенопласт)

Является очень востребованным и применяется в качестве изоляции для разных типов помещений.

Преимущества: невысокая теплопроводность, доступная стоимость, простота монтажа, непроницаемость для влаги.

Недостатки: хрупкий, легко воспламеняется, способствует образованию конденсата.

Экструдированный пенополистирол

Прочный и простой в работе материал, его легко раскроить на фрагменты необходимого размера и формы обычным острым ножом.

Преимущества: очень низкий коэффициент теплопроводности, плохая водопроницаемость, высокая прочность на сжатие, легкий монтаж, не боится плесени и гниения, может эксплуатироваться при температурах от -50⸰С до +75⸰С.

Недостатки: значительно дороже, чем пенопласт, восприимчив к растворителям на органической основе, способствует возникновению конденсата.

Базальтовая (или каменная) вата

Разновидность минеральной ваты, которая изготавливается на основе природного базальта.

Преимущества: противостоит возникновению грибков, звукоизолирует, имеет высокую прочность к механическим повреждениям, огнеупорна, негорюча.

Недостатки: в сравнении с аналогами имеет повышенную стоимость.

Эковата

Утепляющий материал, производимый из природных материалов , таких как древесные волокна и минералы.

Преимущества: изоляция посторонних звуков, экологическая чистота, стойкость к влаге, демократичная стоимость.

Недостатки: при эксплуатации возрастает ее теплопроводность, нужно использовать профессиональное оборудования для монтажа, может дать усадку.

Изолон

Один из высокотехнологичных утеплителей, который производят из пенополиэтилена. Очень востребован.

Преимущества: пониженная теплопроводность и паропроницаемость, высокие показатели шумоизоляции, удобно резать и мотнировать, экологичен, гибкий и маловесный.

Недостатки: невысокая прочность, нужно предусмотреть обязательный вентиляционный зазор.

Свойства

Древесина различных видов тополей имеет очень схожие свойства и обычно не различается по видам. Исключение составляет осина, у которой отсутствует ядро и несколько более высокая плотность. Древесина тополей вообще очень мягкая и со своей плотностью, составляющей от 400 до 500 кг/м³ при влажности от 12 до 15 %, относится к самым лёгким отечественным лиственным породам древесины и имеет соответствующие малые значения абсолютной прочности. Относительно веса, тем не менее, прочность тополя сравнима с другими породами древесины. Эта древесина устойчива к растрескиванию и в сравнении с другими лиственными породами легко колется. Из-за поверхностного уплотнения волокон древесины при трении её стойкость к снашиванию довольно высока.

Осиновая древесина слабоустойчива к воздействию осадков и под водой. В свежем состоянии имеет высокое содержание влаги. У чёрных и бальзамических тополей влажность ядра заметно выше, чем заболони, у белых тополей примерно равная, что должно учитываться при сушке. Сохнет эта древесина медленно и не склонна к растрескиванию или короблению во время этого процесса.

Хорошо обрабатывается острым инструментом, её можно пилить, фрезеровать, лущить и резать. Свежая древесина легче в обработке, чем сухая, потому что волокнистые опилки приводят к сильному сносу и разогреву пил. На древесине с широкими годичными кольцами сложнее добиться гладкой поверхности. Склеивание не вызывает трудностей, соединение с помощью гвоздей удовлетворительное. Поверхность легко обрабатывается, её можно хорошо морить, однако трудно отполировать.

Эффективность многослойных конструкций

Плотность и теплопроводность

В настоящее время нет такого строительного материала, высокая несущая способность которого сочеталась бы с низкой теплопроводностью. Строительство зданий по принципу многослойных конструкций позволяет:

• соответствовать расчётным нормам строительства и энергосбережения;
• оставлять размеры ограждающих конструкций в пределах разумного;
• уменьшить материальные затраты на строительство объекта и его обслуживание;
• добиться долговечности и ремонтопригодности (например, при замене одного листа минеральной ваты).

Комбинация конструкционного материала и теплоизоляционного позволяет обеспечить прочность и снизить потерю тепловой энергии до оптимального уровня. Поэтому при проектировании стен при расчётах учитывается каждый слой будущей ограждающей конструкции.

Важно также учитывать плотность при строительстве дома и при его утеплении. Плотность вещества – фактор, влияющий на его теплопроводность, способность задерживать в себе основной теплоизолятор – воздух

Плотность вещества – фактор, влияющий на его теплопроводность, способность задерживать в себе основной теплоизолятор – воздух

Плотность вещества – фактор, влияющий на его теплопроводность, способность задерживать в себе основной теплоизолятор – воздух.

Расчёт толщины стен и утеплителя

Расчёт толщины стены зависит от следующих показателей:

• плотности;
• расчётной теплопроводности;
• коэффициента сопротивления теплопередачи.

Согласно установленных норм, значение показателя сопротивления теплопередачи наружных стен должно быть не менее 3,2λ Вт/м •°С.

Расчёт толщины стен из железобетона и прочих конструкционных материалов представлен в таблице 2. Такие строительные материалы отличаются высокими несущими характеристиками, они долговечны, но в качестве тепловой защиты они неэффективны и требуют нерациональной толщины стены.

Таблица 2

Показатель	Бетоны, растворно-бетонные смеси
Железобетон	Цементно-песчаный раствор	Сложный раствор (цементно-известково-песчаный)	Известково-песчаный раствор
плотность, кг/куб.м	2500	1800	1700	1600
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)	2,04	0,93	0,87	0,81
толщина стен, м	6,53	2,98	2,78	2,59

Конструкционно-теплоизоляционные материалы способны подвергаться достаточно высоким нагрузкам, при этом значительно повышают теплотехнические и акустические свойства зданий в стеновых ограждающих конструкциях (таблица 3.1, 3.2).

Таблица 3.1

Показатель	Конструкционно-теплоизоляционные м-лы
Пемзобетон	Керамзитобетон	Полистиролбетон	Пено- и газобетон (пено- и газосиликат)	Кирпич глиняный	Силикатный кирпич
плотность, кг/куб.м	800	800	600	400	1800	1800
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)	0,68	0,326	0,2	0,11	0,81	0,87
толщина стен, м	2,176	1,04	0,64	0,35	2,59	2,78

Таблица 3.2

Показатель	Конструкционно-теплоизоляционные м-лы
Кирпич шлаковый	Силикатный кирпич 11-типустотный	Кирпич силикатный 14-типустотный	Сосна (поперечное расположение волокон)	Сосна (продольное расположение волокон)	Фанера клеёная
плотность, кг/куб.м	1500	1500	1400	500	500	600
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)	0,7	0,81	0,76	0,18	0,35	0,18
толщина стен, м	2,24	2,59	2,43	0,58	1,12	0,58

Значительно повысить теплозащиту зданий и сооружений позволяют теплоизоляционные строительные материалы. Данные таблицы 4 показывают, что наименьшие значения коэффициента теплопроводности имеют полимеры, минераловатные, плиты из природных органических и неорганических материалов.

Таблица 4

Показатель	Теплоизоляционные м-лы
ППТ	ПТ полистиролбетонные	Маты минераловатные	Плиты теплоизоляционные (ПТ) из минеральной ваты	ДВП (ДСП)	Пакля	Листы гипсовые (сухая штукатурка)
плотность, кг/куб.м	35	300	1000	190	200	150	1050
коэффициент теплопро- водности, Вт/(м•°С)	0,39	0,1	0,29	0,045	0,07	0,192	1,088
толщина стен, м	0,12	0,32	0,928	0,14	0,224	0,224	1,152

Значения таблиц теплопроводности строительных материалов применяются при расчётах:

• теплоизоляции фасадов;
• общестроительной изоляции;
• изоляционных материалов при устройстве кровли;
• технической изоляции.

Задача выбора оптимальных материалов для строительства, конечно же, подразумевает более комплексный подход. Однако даже такие простые расчёты уже на первых этапах проектирования позволяют определить наиболее подходящие материалы и их количество.

Применение коэффициента теплопроводности в строительстве

В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.

В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.

Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.

Какой же строительный материал самый теплый?

В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.

Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:

А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).

Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.

Что такое коэффициент теплопроводности

Физический смысл коэффициента теплопроводности — это количество тепла, которое проходит через образец единичного объема за одну секунду при разнице температур в один Кельвин (градус Цельсия). Единица измерения — Вт/(м °К), обозначение — λ, k, ϰ.

Чем выше значение коэффициента, тем большей способностью к передаче тепла обладает материал. В абсолютном вакууме λ=0, максимальный — у алмаза и графена, применяемого в наноразработках.

У бетона значение коэффициента теплопроводности находится в пределах 0,05 -2,02 Вт/(м °К) в зависимости от плотности и влажности материала. У ячеистого автоклавного бетона марки М150 λ=0,055 Вт/(м °К), а тяжелые бетоны М800-1000 характеризуются показателем 2,02 Вт/(м °К).

В строительстве при расчете конструкций на сопротивление теплопередаче используют таблицу с точными значениями коэффициента. Его указывают для трех состояний материала:

• в сухом виде;
• при нормальной влажности;
• при повышенной влажности.

Теплотехнический расчет проводят в соответствии с условиями эксплуатации бетона.

От чего зависит величина коэффициента

Коэффициент теплопроводности бетона определяют опытным путем. Поскольку у материала неоднородная структура, то величина непостоянна и носит условный характер.

Параметры, от которых зависит показатель:

• Плотность. Тепловую энергию передают друг другу частицы, поэтому чем ближе они расположены, тем быстрее этот процесс. Соответственно, рыхлые материалы с меньшей плотностью способны лучше противостоять теплопередаче.
• Пористость материала. Тепловой поток перемещается сквозь толщу монолита, часть которого составляют воздушные пустоты. Теплопроводность воздуха очень мала — 0,02 Вт/(м °К). Чем больше занятый воздухом объем, тем коэффициент λ ниже.
• Структура пор — размеры и замкнутость. Мелкие полости снижают скорость передачи энергии, в то время как в крупных сообщающихся отверстиях теплообмен совершается конвекционным путем, увеличивая тем самым общую теплопередачу.
• Влажность. Коэффициент теплопроводности воды 0,6 Вт/м К, это достаточно большой показатель. Проникая в полости бетона, влага уменьшает способность материала сохранять тепло.
• Температура. Чем она у вещества выше, тем быстрее движутся молекулы. Зависимость от температуры линейная, выражается формулой λ=λо х (1+b х t), где λ и λо — искомый и начальный коэффициенты теплопроводности, b — справочная величина, t — температура в градусах.

Сравнение утеплителей по теплопроводности

Пенополистирол (пенопласт)

Плиты пенополистирола (пенопласта)

Это самый популярный теплоизоляционный материал в России, благодаря своей низкой теплопроводности, невысокой стоимости и легкости монтажа. Пенопласт изготавливается в плитах толщиной от 20 до 150 мм путем вспенивания полистирола и состоит на 99% из воздуха. Материал имеет различную плотность, имеет низкую теплопроводность и устойчив к влажности.

Благодаря своей низкой стоимости пенополистирол имеет большую востребованность среди компаний и частных застройщиков для утепления различных помещений. Но материал достаточно хрупкий и быстро воспламеняется, выделяя токсичные вещества при горении. Из-за этого пенопласт использовать предпочтительнее в нежилых помещениях и при теплоизоляции не нагружаемых конструкций — утепление фасада под штукатурку, стен подвалов и т.д.

Экструдированный пенополистирол

Пеноплэкс (экструдированный пенополистирол)

Экструзия (техноплэкс, пеноплэкс и т.д.) не подвергается воздействию влаги и гниению. Это очень прочный и удобный в использовании материал, который легко режется ножом на нужные размеры. Низкое водопоглощение обеспечивает при высокой влажности минимальное изменение свойств, плиты имеют высокую плотность и сопротивляемость сжатию. Экструдированный пенополистирол пожаробезопасен, долговечен и прост в применении.

Все эти характеристики, наряду с низкой теплопроводностью в сравнении с прочими утеплителями делает плиты техноплэкса, URSA XPS или пеноплэкса идеальным материалом для утепления ленточных фундаментов домов и отмосток. По заверениям производителей лист экструзии толщиной в 50 миллиметров, заменяет по теплопроводности 60 мм пеноблока, при этом материал не пропускает влагу и можно обойтись без дополнительной гидроизоляции.

Минеральная вата

Плиты минеральной ваты Изовер в упаковке

Минвата (например, Изовер, URSA, Техноруф и т.д.) производится из натуральных природных материалов – шлака, горных пород и доломита по специальной технологии. Минеральная вата имеет низкую теплопроводность и абсолютно пожаробезопасна. Выпускается материал в плитах и рулонах различной жесткости. Для горизонтальных плоскостей используются менее плотные маты, для вертикальных конструкций используют жесткие и полужесткие плиты.

Однако, одним из существенных недостатков данного утеплителя, как и базальтовой ваты является низкая влагостойкость, что требует при монтаже минваты устройства дополнительной влаго- и пароизоляции. Специалисты не рекомендуют использовать минеральная вату для утепления влажных помещений – подвалов домов и погребов, для теплоизоляции парилки изнутри в банях и предбанников. Но и здесь ее можно использовать при должной гидроизоляции.

Базальтовая вата

Плиты базальтовой ваты Роквул в упаковке

Данный материал производится расплавлением базальтовых горных пород и раздуве расплавленной массы с добавлением различных компонентов для получения волокнистой структуры с водоотталкивающими свойствами. Материал не воспламеняется, безопасен для здоровья человека, имеет хорошие показатели по теплоизоляции и звукоизоляции помещений. Используется, как для внутренней, так и для наружной теплоизоляции.

При монтаже базальтовой ваты следует использовать средства защиты (перчатки, респиратор и очки) для защиты слизистых оболочек от микрочастиц ваты. Наиболее известная в России марка базальтовой ваты – это материалы под маркой Rockwool. При эксплуатации плиты теплоизоляции не уплотняются и не слеживаются, а значит, прекрасные свойства низкой теплопроводности базальтовой ваты со временем остаются неизменными.

Пенофол, изолон (вспененный полиэтилен)

Фольгированный пенофол

Пенофол и изолон – это рулонные утеплители толщиной от 2 до 10 мм, состоящие из вспененного полиэтилена. Материал также выпускается со слоем фольги с одной стороны для создания отражающего эффекта. Утеплитель имеет толщину в несколько раз тоньше представленных ранее утеплителей, но при этом сохраняет и отражает до 97% тепловой энергии. Вспененный полиэтилен имеет длительный срок эксплуатации и экологически безопасен.

Изолон и фольгированный пенофол – легкий, тонкий и очень удобный в работе теплоизоляционный материал. Используют рулонный утеплитель для теплоизоляции влажных помещений, например, при утеплении балконов и лоджий в квартирах. Также применение данного утеплителя поможет вам сберечь полезную площадь в помещении, при утеплении внутри. Подробнее об этих материалах читайте в разделе «Органическая теплоизоляция».