Теплопроводность строительных материалов, что это, таблица

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.  

Содержание статьи

• 1 Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
• 2 Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
• 3 Таблица теплопроводности строительных материалов
• 4 Как рассчитать толщину стен
  • 4.1 Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев
  • 4. 2 Пример расчета толщины утеплителя

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше  (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Войлок шерстяной	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3	0,036	0,042	0,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3	0,035	0,041	0,044
Каменная минеральная 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
Пенополистирол (пенопласт, ППС)	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)	0,029	0,030	0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3	0,11	0,14	0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 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
Пеностекло, 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
Эковата	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
Пенополиэтилен сшитый	0,031-0,038
Вакуум	0
Воздух +27°C. 1 атм	0,026
Ксенон	0,0057
Аргон	0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)	0,014-0,021
Шлаковата	0,05
Вермикулит	0,064-0,074
Вспененный каучук	0,033
Пробка листы 220 кг/м3	0,035
Пробка листы 260 кг/м3	0,05
Базальтовые маты, холсты	0,03-0,04
Пакля	0,05
Перлит, 200 кг/м3	0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3	0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3	0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3	0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3	0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3	0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3	0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3	0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50. 13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Сравнивают самые разные материалы

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т. д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5  кирпича.
2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

   Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

3. Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Статьи на Строительном портале Украины

Что такое коэффициент плотности и теплопроводности строительных материалов?

Чтобы не занимать лишним  ваши головы, попробуем ответить на этот вопрос как можно проще и понятнее.

Для обозначения коэффициента теплопроводности при расчетах используется символ λ, а измеряется данная величина в ВТ/м*К.
Как известно, тепло передается при контакте двух материалов от одного к другому или через материал. Наиболее высокой теплопроводностью отличаются самые плотные материалы, к примеру, такие как стекло, металл, камень. Воздух и газы имеют низкую теплопроводность, поэтому пористые материалы, такие как пенополистирол, пенобетон или  пенопласт так же отличаются  более низкой теплопроводностью. В этом Вы убедитесь, ознакомившись с приведенной ниже таблицей.

Кроме того, следует учитывать, что теплопроводность материала напрямую зависит от его плотности, добавок и влажности. Так, одни и те же строительные материалы от разных производителей будут иметь различные физические свойства. Поэтому, чтобы быть уверенным в правильности расчетов на все сто,  лучше значения коэффициентов теплопроводности материала взять из документации производителя.

Рубрика: 

Стройматериалы

Вернуться назад

Маловероятный конкурент алмазу как лучшему проводнику тепла Письма о физическом обзоре

.

Открытие того, что химическое соединение бора и мышьяка может соперничать с алмазом, самым известным проводником тепла, удивило группу физиков-теоретиков из Бостонского колледжа и Военно-морской исследовательской лаборатории. Но новый теоретический подход позволил команде раскрыть секрет потенциально экстраординарной способности арсенида бора проводить тепло.

Меньшие, более быстрые и мощные микроэлектронные устройства создают сложную задачу по отводу выделяемого ими тепла. Хорошие теплопроводники, находящиеся в контакте с такими устройствами, быстро отводят тепло от нежелательных «горячих точек», что снижает эффективность этих устройств и может привести к их выходу из строя.

Алмаз — самый ценный из драгоценных камней. Но, помимо своего блеска и ювелирной красоты, он обладает многими другими замечательными свойствами. Наряду со своими углеродными кузенами графитом и графеном алмаз является лучшим проводником тепла при комнатной температуре, имея теплопроводность более 2000 ватт на метр на кельвин, что в пять раз выше, чем у лучших металлов, таких как медь. В настоящее время алмаз широко используется для отвода тепла от компьютерных чипов и других электронных устройств. К сожалению, алмазы редки и дороги, а производство высококачественных синтетических алмазов сложно и дорого. Это подтолкнуло к поиску новых материалов со сверхвысокой теплопроводностью, но в последние годы достигнут незначительный прогресс.

По словам соавтора Дэвида Бройдо, профессора физики Бостонского колледжа, хорошо изучена высокая теплопроводность алмаза, обусловленная легкостью составляющих его атомов углерода и жесткими химическими связями между ними. С другой стороны, не ожидалось, что арсенид бора будет особенно хорошим проводником тепла, и фактически, согласно обычным критериям оценки, его теплопроводность была в 10 раз меньше, чем у алмаза.

Команда обнаружила, что расчетная теплопроводность кубического арсенида бора чрезвычайно высока: более 2000 Вт на метр на кельвин при комнатной температуре и выше, чем у алмаза при более высоких температурах, по словам Бройдо и соавторов Тома Райнеке, старшего научного сотрудника в Лаборатория военно-морских исследований и Лукас Линдсей, научный сотрудник NRL, получивший докторскую степень в Британской Колумбии.

Бройдо сказал, что команда использовала недавно разработанный теоретический подход для расчета теплопроводности, который они ранее протестировали со многими другими хорошо изученными материалами. Уверенные в своем теоретическом подходе, команда более внимательно изучила арсенид бора, теплопроводность которого никогда не измерялась.

В отличие от металлов, где электроны переносят тепло, алмаз и арсенид бора являются электрическими изоляторами. Для них тепло переносится колебательными волнами составляющих атомов, и столкновение этих волн друг с другом создает внутреннее сопротивление тепловому потоку. Команда была удивлена, обнаружив необычное взаимодействие определенных колебательных свойств в арсениде бора, которое выходит за рамки рекомендаций, обычно используемых для оценки теплопроводности электрических изоляторов. Оказывается, ожидаемые столкновения между колебательными волнами гораздо менее вероятны в определенном диапазоне частот. Таким образом, на этих частотах арсенид бора может проводить большое количество тепла.

«Эта работа дает новый важный взгляд на физику переноса тепла в материалах и иллюстрирует мощь современных вычислительных методов в количественном прогнозировании материалов, теплопроводность которых еще предстоит измерить», — сказал Бройдо. «Мы рады видеть, что наше неожиданное открытие для арсенида бора может быть подтверждено измерениями. Если это так, это может открыть новые возможности для приложений пассивного охлаждения с использованием арсенида бора, и это еще раз продемонстрирует важную роль, которую такая теоретическая работа может играть в предоставление полезного руководства для определения новых материалов с высокой теплопроводностью».

Предоставлено
Бостонский колледж

Цитата :
Маловероятный конкурент алмазу как лучшему теплопроводнику (8 июля 2013 г.)
получено 29 марта 2023 г.
с https://phys.org/news/2013-07-competitor-diamond-thermal-conductor.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Какие керамические материалы обладают высокой теплопроводностью?

Теплопроводность керамических материалов играет важную роль в их применении. В определенном диапазоне повышение теплопроводности керамических материалов определенными методами улучшит их способность к теплопроводности, конвекции тепла и тепловому излучению, что еще больше расширит область их применения. Керамические материалы с высокой теплопроводностью в основном состоят из оксидов, нитридов, карбидов и боридов, таких как поликристаллическая алмазная керамика, нитрид алюминия, оксид бериллия, нитрид кремния и карбид кремния.

Поликристаллический алмаз (PCD)

Алмаз обладает высокой теплопроводностью. Теоретическое значение теплопроводности его монокристалла составляет 1642 Вт/м•К при комнатной температуре, а измеренное значение — 2000 Вт/м•К. Однако крупный монокристалл алмаза сложен в приготовлении и дорог. В процессе спекания поликристаллического алмаза часто добавляют вспомогательные вещества для спекания, чтобы усилить связь между алмазными порошками, чтобы получить керамику PCD с высокой теплопроводностью. Однако помощник по спеканию может катализировать карбонизацию алмазного порошка в процессе высокотемпературного спекания, так что поликристаллический алмаз больше не изолирован. Небольшой монокристалл алмаза часто добавляют в теплопроводную керамику в качестве армирующего материала для улучшения теплопроводности керамики.

Поликристаллическая алмазная керамика является конструкционным и новым функциональным материалом. В настоящее время поликристаллическая алмазная керамика нашла широкое применение в областях современной промышленности, национальной обороны, высоких и новых технологий благодаря своим превосходным механическим, термическим, химическим, акустическим, оптическим и электрическим свойствам.

Карбид кремния

В настоящее время карбид кремния (SiC) является активным теплопроводным керамическим материалом в стране и за рубежом. Теоретическая теплопроводность карбида кремния очень высока и достигает 270 Вт/м•К. Однако, поскольку отношение поверхностной энергии к межфазной энергии керамических материалов SiC низкое, то есть энергия границ зерен высока, трудно производить высокочистую и плотную керамику SiC обычными методами спекания. Вспомогательные вещества для спекания должны быть добавлены при использовании обычных методов спекания, а температура спекания должна быть выше 2050 ℃. Однако такие условия спекания вызывают рост зерен SiC и значительно снижают механические свойства керамики SiC.

Керамика из карбида кремния широко используется в высокотемпературных подшипниках, пуленепробиваемых пластинах, соплах, высокотемпературных коррозионностойких деталях, а также в высокотемпературном и высокочастотном диапазоне деталей электронного оборудования и других областях.

Нитрид кремния

Керамика из нитрида кремния (Si3N4) привлекает все больше и больше внимания отечественных и зарубежных исследователей из-за ее превосходных свойств, таких как высокая ударная вязкость, высокая термостойкость, хорошая изоляция, коррозионная стойкость и нетоксичность. Прочность связи, средняя атомная масса и ангармонические колебания керамики из нитрида кремния аналогичны таковым у SiC. Теоретическая теплопроводность кристаллов нитрида кремния составляет 200 ~ 320 Вт/м•К. Однако, поскольку структура Si3N4 более сложна, чем структура нитрида алюминия (AlN), а рассеяние фононов больше, теплопроводность спеченной керамики Si3N4 в настоящем исследовании намного ниже, чем у монокристалла Si3N4, что также ограничивает его масштабное продвижение и применение.

Оксид бериллия

Оксид бериллия (ВеО) имеет гексагональную структуру вюрцита, с малым расстоянием между атомами Ве и О, малой средней атомной массой и плотным скоплением атомов, что соответствует условиям модели Слака с

высокая теплопроводность монокристалла. В 1971 году Слэк и Ауатерман проверили теплопроводность керамики BeO и крупного монокристалла BeO и рассчитали, что теплопроводность крупного монокристалла BeO может достигать 370 Вт/м•К. В настоящее время теплопроводность полученной керамики BeO может достигать 280 Вт/м•К, что в 10 раз выше, чем у керамики из оксида алюминия (Al2O3).

Оксид бериллия широко используется в аэрокосмической, ядерной энергетике, металлургии, электронной промышленности, ракетостроении и так далее. ВеО широко используется в качестве несущих деталей и узлов в схемах преобразования авионики, в авиационных и спутниковых системах связи; Керамика BeO обладает особенно высокой стойкостью к тепловому удару и может использоваться в дымоходах реактивных самолетов; пластина BeO с металлическим покрытием использована в системе управления приводом самолета; Ford и General Motors используют накладки из оксида бериллия с металлическим напылением в системах зажигания автомобилей; BeO обладают хорошей теплопроводностью и легко миниатюризируются, поэтому имеют широкие перспективы применения в лазерной области. Например, BeO-лазер имеет более высокую эффективность и большую выходную мощность, чем кварцевый лазер.

Нитрид алюминия (AlN)

Керамика из нитрида алюминия является наиболее широко используемым материалом с высокой теплопроводностью. Теоретическая теплопроводность монокристалла нитрида алюминия может достигать 3200 Вт/м•К. Однако из-за неизбежных примесей и дефектов в процессе спекания эти примеси создают различные дефекты в решетке AlN, которые уменьшают среднюю свободу фононов и, таким образом, сильно снижают их теплопроводность. В дополнение к влиянию дефектов решетки AlN на теплопроводность, размер зерна, морфология, а также содержание и распределение второй фазы на границах зерен также имеют важное влияние на теплопроводность керамики AlN. Чем больше размер зерна, тем больше средняя свобода фононов и тем выше теплопроводность спеченной керамики AlN.

Как типичный ковалентный комплекс, нитрид алюминия имеет высокую температуру плавления, низкий коэффициент атомной самодиффузии и высокую энергию границ зерен во время спекания. Поэтому трудно производить керамику AlN высокой чистоты обычными методами спекания. Кроме того, добавление соответствующих противоожоговых добавок может также реагировать с кислородом в решетке с образованием второй фазы, очищать решетку AlN и улучшать теплопроводность.