Коэффициент теплопроводности – как утеплить дом и сэкономить

При постройке дома нужно учитывать его тепловую эффективность, чтобы в помещении было тепло или холодно. Для этого существует коэффициент теплопроводности, который означает скорость прохождения энергии через материал. Требуется знать, что влияет на КТП и как его определить, а также какие основные функции теплопроводности и для чего она нужна. Важно понимать, какие материалы имеют низкую или высокую КТП, если нужно что-то построить. 

Что такое теплопроводность

В теории теплопроводность – это способность материала проводить энергию или тепло от более нагретых частей к менее тёплым, путём хаотического движения частиц тела. На практике это минимизация тепловых потерь через строительные конструкции. У разных материалов своя теплопроводность. Дерево менее податливо к таким действиям, а металл наоборот нагревается до такой степени¸ что его тяжело держать в руках.

Для характеристики проводника тепла придумали такую единицу, как коэффициент. Обозначают её греческой буквой λ и измеряют в Вт/(м*℃). Иногда вместо градусов Цельсия в этой формуле указаны градусы Кельвина (К), но суть от этого не меняется. Этот коэффициент показывает способность передачи тепла материалом на определённое расстояние за единицу времени. Но показатель характеризует само вещество, не привязываясь к размерам изделия.  

При покупке стройматериала у продавца можно попросить паспорт на продукт и посмотреть коэффициент теплопроводности. Сырье, отличающееся высокой проводимостью тепла, используют в качестве радиаторов, так как их стенки будут передавать нагрев от теплоносителя.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала для стены здания, тем меньше оно будет терять тепла во время холодной погоды. И тем меньше можно делать толщину стены. В справочниках чаще всего указывают несколько значений теплопроводности для материала (от трёх и больше). Это происходит из-за того, что сам коэффициент меняется в зависимости от температуры и других факторов, например, влаги, при которой значение увеличивается.  

Назначение теплопроводности

Так как теплопроводность – это показатель передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов к предметам с более низкой температурой, то процесс происходит до тех пор, пока градусы не уравняются. При построении зданий желательно применять материалы с минимальным показателем теплопроводности. 

Для уменьшения нагрева помещения от солнечных лучей используются покрытия с отражающей поверхностью (оцинковка, зеркальные панели), а для увеличения применяются вещества, которые хорошо поглощают свет (битум, рубероид). 

Такое понятие, как коэффициент теплопроводности, обозначает количество проходящего тепла через 1 м толщины материала за 1 час. Его используют для расчёта характеристики теплоизоляционных материалов, которые потребуются для сбережения тепла внутри помещения, а также способности сырья быстро отводить или дольше сдерживать энергию внутри конструкции. 

Материалы с высокой проводимостью используются в качестве основы для радиаторов и нагревательных труб. Для производства применяют алюминий, медь или сталь из-за их высокой плотности и хорошей передачи энергии. Для утепления используют сырье с низкой теплопроводностью и высокой пористостью. Например, войлок или стекловолокно способствуют улучшению энергетической эффективности. 

Что влияет на теплопроводность

Из-за того, что в воздухе тепло передаётся только за счёт движущихся частиц, материалы, которые имеют пористую структуру, хуже отводят тепло. Передача энергии сильно зависит от количества, плотности, размера и формы пустых мест внутри сырья, из которого изготовлена конструкция (дом, печь или любая другая). 

Также на энергетическую эффективность влияют отражающие свойства материала. Если покрытие имеет зеркальную поверхность, то оно будет получать меньше тепла от солнечных лучей и ламповых обогревателей. 

Большую роль в передаче энергии по сырью играет влажность. Сырой воздух может увеличить скорость охлаждения, так как вода довольно сильно и быстро поглощает тепло, а влажные стены легче остывают. 

Также на теплопроводность материала влияет его слоистость и волокнистость. Например, пол, который покрыт торцовой деревянной шашкой проводит большее количество энергии, чем щитовой или дощатый паркет. Это обусловлено тем, что у древесных изделий термическое сопротивление поперёк волокон в 2 раза выше, чем вдоль соединений. Таким особенностям подвергаются и искусственные материалы со слоистой структурой.

На теплопроводность влияет плотность соприкосновения одного материала к другому. Например, стена, к которой плотно прилегает железная поверхность будет остывать быстрее. Но это работает и в обратную сторону. Если между двумя деталями будет прослойка из воздуха или газа, то передача энергии уменьшится.

Это применяется при изготовлении окон из стекла или пластиковых аналогов. Также некоторые строители оставляют воздушную прослойку между двумя параллельными стенами или полом и фундаментом.  

Методы определения КТП

Существует 2 метода определения КТП:

1. Стационарный – предполагает работу с параметрами, которые не будут изменяться в течение длительного времени или изменяющиеся незначительно. Преимущество этого метода в высокой точности вычисления результата. К недостаткам относится сложность регулировки эксперимента, большое количество используемых термопар, а также длительность затраченного времени на подготовку и проведение опыта. Этот метод подходит для вычисления КТП жидкостей и газов, если не учитывать передачу энергии конвекцией и излучением. 
   
2. Нестационарный – визуально выглядит более простой и требует для выполнения от 10 до 30 минут. Нашла своё широкое применение из-за того, что в процессе исследования можно узнать не только КТП, но и температурную проводимость, а также теплоёмкость образца. 
   

Для проведения анализа теплопроводности строительных материалов применяются электронные приборы, например, ИТП-МГ4 «Зонд». Такие средства для вычисления КТП отличаются рабочим диапазоном температур, а также процентом погрешности.  

Таблица тепловой эффективности материалов

Большинство сырья, которое используется при строительстве, не нуждается в самостоятельном измерении КТП. Для этого существует таблица теплопроводности материалов, которая показывает основные характеристики, требуемые для расчёта тепловой эффективности. 

Большинство материалов отличается по своему составу. Например, теплопроводность кирпича зависит от того, из чего он сделан. Клинкерный имеет КТП от 0,8 до 1,6, а кремнезёмный 0,15. Также есть отличия по методу изготовления и стандартам ГОСТ. 

Коротко о главном

Коэффициент теплопроводности – это скорость передачи тепла через материал в течение определённого времени.

Знание КТП нужно для улучшения тепловой эффективности конструкции. Например, если она должна быстро отдавать тепло, то её нужно делать из сырья с высокой передачей энергии, а для закрытых помещений наоборот нужны дополнительные утеплители. Это поможет сэкономить деньги на отоплении.

На теплопроводность материала влияет его плотность, влажность и волокнистость.