Термическое сопротивление конструкций реферат
Обновлено: 05.07.2024
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.
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
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
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.
Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
В сухом состоянии
При нормальной влажности
При повышенной влажности
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3
Каменная минеральная вата 180 кг/м3
Стекловата 15 кг/м3
Стекловата 17 кг/м3
Стекловата 20 кг/м3
Стекловата 30 кг/м3
Стекловата 35 кг/м3
Стекловата 45 кг/м3
Стекловата 60 кг/м3
Стекловата 75 кг/м3
Стекловата 85 кг/м3
Пенополистирол (пенопласт, ППС)
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3
Пеностекло, крошка, 100 – 150 кг/м3
Пеностекло, крошка, 151 – 200 кг/м3
Пеностекло, крошка, 201 – 250 кг/м3
Пеностекло, крошка, 251 – 400 кг/м3
Пеноблок 100 – 120 кг/м3
Пеноблок 121- 170 кг/м3
Пеноблок 171 – 220 кг/м3
Пеноблок 221 – 270 кг/м3
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3
Воздух +27°C. 1 атм
Аэрогель (Aspen aerogels)
Пробка листы 220 кг/м3
Пробка листы 260 кг/м3
Базальтовые маты, холсты
Перлит, 200 кг/м3
Перлит вспученный, 100 кг/м3
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3
Пробка гранулированная, 45 кг/м3
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3
Пробка техническая, 50 кг/м3
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
Название материала, плотность
в сухом состоянии
при нормальной влажности
при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор)
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3
Керамическийй блок поризованный
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3
Керамзитобетон, 500 кг/м3
Керамзитобетон, 600 кг/м3
Керамзитобетон, 800 кг/м3
Керамзитобетон, 1000 кг/м3
Керамзитобетон, 1200 кг/м3
Керамзитобетон, 1400 кг/м3
Керамзитобетон, 1600 кг/м3
Керамзитобетон, 1800 кг/м3
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот
Известняк 1400 кг/м3
Известняк 1+600 кг/м3
Известняк 1800 кг/м3
Известняк 2000 кг/м3
Песок строительный, 1600 кг/м3
Керамзит, гравий, 250 кг/м3
Керамзит, гравий, 300 кг/м3
Керамзит, гравий, 350 кг/м3
Керамзит, гравий, 400 кг/м3
Керамзит, гравий, 450 кг/м3
Керамзит, гравий, 500 кг/м3
Керамзит, гравий, 600 кг/м3
Керамзит, гравий, 800 кг/м3
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3
Глина, 1600-2900 кг/м3
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3
Керамзит, 200-800 кг/м3
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3
Кирпич клинкерный, 1800 – 2000 кг/м3
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3
Листы гипсокартона, 800 кг/м3
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3
ДВП, ДСП, 200 кг/м3
ДВП, ДСП, 400 кг/м3
ДВП, ДСП, 600 кг/м3
ДВП, ДСП, 800 кг/м3
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3
Ковровое покрытие, 630 кг/м3
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3
Стеклопластик, 1800 кг/м3
Черепица бетонная, 2100 кг/м3
Черепица керамическая, 1900 кг/м3
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3
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.
В сухом состоянии
При нормальной влажности
При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон
Сосна, ель вдоль волокон
Дуб вдоль волокон
Дуб поперек волокон
Липа (15% влажности)
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 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.
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.
ТЕПЛОСАНТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫБОРУ ПЛОЩАДКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Теплоснабжение потребителей существенно зависит от их территориального расположения. Промышленные предприятия размещают преимущественно за чертой населенных пунктов или на территории населенных пунктов в специально выделенных промышленных .
ТЕПЛОСАНТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ЗДАНИЯМ И СООРУЖЕНИЯМ
Отапливаемые производственные здания и сооружения, кроме зданий и помещений с мокрым режимом (см. далее табл. 1), должны иметь наружные ограждения, исключающие возможность .
НОВЫЕ ВИДЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ
Основные физические свойства строительных материалов определяются их объемным весом, Н/м3, удельной теплоемкостью, коэффициентами теплопроводности и воздухопроницания, теплоусвоения и паропроницания. Коэффициент .
СОПРОТИВЛЕНИЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ
Внешние ограждающие конструкции отапливаемых жилых, производственных и общественных зданий должны не только удовлетворять требованиям прочности, устойчивости, огнестойкости, долговечности, экономичности и современного дизайна, .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Для районов со среднемесячной температурой июля 21 °С и выше амплитуда колебаний Аτв температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций (наружных стен с тепловой инерцией менее 4 .
ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЗДУХОПРОНИЦАНИЮ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Ограждающие конструкции зданий и сооружений за исключением заполнений световых проемов (окон, балконных дверей и фонарей) должны иметь сопротивление воздухопроницанию Rи, не менее требуемого Rитр, (м2 •.
Выражение в скобках - сумма термических сопротивлений плоскопараллельных последовательно расположенных по ходу теплового потока слоев ограждения и сопротивлений теплообмену на его поверхностях называется общим сопротивлением теплопередаче ограждения Ro, м². ºС/Вт:
Ro=Rв+ΣRТ,i+Rн, (2.22)
а сумма термических сопротивлений отдельных слоев ограждения - его термическим сопротивлением RТ, м².ºС/Вт:
RТ = RТ,1+RТ,2+…+Rв. п+…. +R Т,n, (2.23)
где R Т,1, R Т,2,…, R Т,n - термические сопротивления отдельных плоскопараллельных последовательно расположенных по ходу теплового потока слоев слоев ограждающей конструкции, м². ºС/Вт, определяемые по формуле (2.4);
Rв. п - термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м². ºС/Вт, по п.2.1.4
По физическому смыслу общее сопротивление теплопередаче ограждения Ro - это разность температуры сред по разные стороны ограждения, которая формирует проходящий через него тепловой поток плотностью 1 Вт/ м², в то время как термическое сопротивление многослойной конструкции - разность температуры наружной и внутренней поверхностей ограждения, которая формирует проходящий через него тепловой поток плотностью 1 Вт/ м²,Из (2.22) следует, что тепловой поток q, Вт/м², проходящий через ограждение, пропорционален разности температуры сред по разные стороны ограждения (tв - tн) и обратно пропорционален общему сопротивлению теплопередаче Ro
q= (1/ Rо). (tв - tн), (2.24)
термическое сопротивление конструкций.
Термическое сопротивление. Отношение δ/λ называется термическим сопротивлением однородного ограждения или отдельного слоя в многослойном ограждении
Термическое сопротивление численно равно разности температур, при которой через стенку проходит тепловой поток плотностью 1 Вт/м 2 , и измеряется в м 2 ·ºС/Вт.
Для многослойной конструкции, состоящей из n слоев, термическое сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных слоев
где δi – толщины отдельных слоев, м; λi – коэффициенты теплопроводности материалов этих слоев, Вт/(м · ˚C); i = 1, 2,…, n.
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции. Рассмотрим однородную плоскую стенку с коэффициентом теплопроводности λ и толщиной δ. Она разделяет две воздушные среды: внутреннюю с температурой tint и наружную с температурой text, которые не меняются с течением времени. Следовательно, процесс теплопередачи через стенку является стационарным.
В холодное время года существуют температурные перепады tint - tsi и tse - text, следовательно, происходит теплообмен между поверхностями ограждающей конструкции и окружающим воздухом. Коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей, соответственно, равны αint и αext . Перенос тепла через стенку, вызванный разностью температур tsi - tse, происходит путем теплопроводности.
При стационарной теплопередаче количество тепла, переданного от теплого воздуха стенке, равно количеству тепла, отданному от стенки наружной среде. Исходя из закона Ньютона, плотность теплового потока от внутреннего воздуха стенке определяется выражением
Плотность теплового потока, переносимого теплопроводностью сквозь стенку, равна
Аналогично, тот же самый поток передается от наружной поверхности холодному воздуху
Из этих уравнений определим температурные перепады и запишем систему:
Сложив левые и правые части, получим разность температур внутреннего и наружного воздуха
Знаменатель этого выражения называется сопротивлением теплопередаче однослойного ограждения:
Для многослойной конструкции нужно учитывать термическое сопротивление каждого слоя. В этом случае сопротивление теплопередаче определяется следующим образом
где n – число слоев конструкции.
Сопротивление теплопередаче определяет теплозащитные свойства ограждающей конструкции в стационарных условиях. Такие условия характерны для холодного периода года: зимой температура наружного воздуха часто бывает устойчивой, а отопление поддерживает постоянную внутреннюю температуру.
При установившихся условиях передачи тепла в любом слое ограждающей конструкции температура не изменяется, поскольку не происходит нагревания или охлаждения этого слоя.
Поток тепла Q, проходящий через любое сечение однородной конструкции, прямо пропорционален разности температур ?t на ее поверхностях и обратно пропорционален термическому сопротивлению R этой конструкции, т. е.
Термическое сопротивление однородной конструкции или отдельного конструктивного слоя выражается отношением толщины б к коэффициенту теплопроводности ? 1 материала, т. е.:
Для конструкции, состоящей из нескольких слоев (1, 2, 3. n)
Общее сопротивление конструкции R0 теплопередаче, с учетом сопротивлений теплообмену на ее внутренней и внешней поверхностях, составит:
Рис. 1.9. Произвольное сечение внутри конструкции Если температуры внутреннего и наружного воздуха не изменяются во времени и известны их значения tв и tн, а также термические сопротивления отдельных слоев конструкции, легко определить температуры на поверхностях ограждающей конструкции и на границах отдельных слоев.
Из равенства потоков тепла, проходящих через любое сечение х конструкции и через все ограждение в целом (рис. 1.9), т. е.
следует, что температура в плоскости х—tx и на внутренней поверхности ограждающей конструкции tв.п вычисляется по формулам:
где ?Rx — сумма термических сопротивлений от внутренней поверхности конструкции до сечения х; Rв — сопротивление теплообмену на внутренней поверхности.
При графическом построении линии распределения температуры в слоистой ограждающей конструкции, вычерченной в масштабе реальных толщин отдельных слоев, уклон этой линии в пределах каждого слоя составит:
Рис. 1.10. Схема распределения температур внутри слоистой ограждающей конструкции Чем больше коэффициент теплопроводности ?, тем круче падение линии распределения температур в пределах рассматриваемого слоя.
В слоистой конструкции, выполненной из материалов с различной теплопроводностью, распределение температур выражается ломаной линией (рис. 1.10, а). Эта линия превращается в прямую, соединяющую значения tв и tн, если слоистая ограждающая конструкция вычерчена в масштабе термических сопротивлений R (рис. 1.10, б); в этом случае уклоны ?t/R в пределах каждого слоя равны потоку тепла Q и, следовательно, в установившихся условиях теплопередачи равны друг другу.
Рис. 1.11. Панель наружной стены из керамзитобетона Пример 1.2. Определить сопротивление теплопередаче R0 наружной стены жилого дома для климата умеренной влажности (нормальной) и вычислить распределение температур при установившемся потоке тепла через эту стену. Конструкция стены выполнена в виде крупной панели из керамзитобетона толщиной 0,3 м, покрытий с внутренней и наружной сторон фактурными слоями толщиной по 0,015 м (рис. 1.11). Объемный вес керамзитобетона 800 кг/м 3 , а фактурных слоев — 1600 кг/м 3 .
Толщины конструктивных слоев при теплофизических расчетах принимаются в метрах, поскольку в физическую размерность (град·м 2 ·ч/ккал) входит эта величина.
Значения коэффициентов теплопроводности (соответствующие нормальному влажностному состоянию материалов); ?1 керамзитобетона — 0,25 ккал/град·м·ч; ?2 наружного фактурного слоя — 0,65 ккал/град·м·ч; ?3 внутреннего фактурного слоя 0,55 ккал/град·м·ч. Коэффициент теплопроводности наружного фактурного слоя больше, чем внутреннего, поскольку в холодный период года он более влажен и теплопроводен.
По формуле (1.23) имеем:
Рассматриваемая панельная конструкция обладает относительно высоким сопротивлением теплопередаче и при удовлетворительном решении сопряжений (между отдельными панелями), не понижающем теплозащитных свойств конструкции, отвечает теплофизическим требованиям для многих климатических районов СССР. Однако при повышении объемного веса керамзитобетона, например, до 1200 кг/м 3 , значение R0 резко снижается до недопустимых пределов (R0=0,98).
При расчетной температуре внутреннего воздуха +18° и наружного —29° температура на поверхности стены, обращенной в помещение, будет по формуле (1.24а):
Температура в стене под внутренним фактурным слоем (1.24):
Здесь R1=0,027 — термическое сопротивление внутреннего фактурного слоя.
Температура внутри стены под наружным фактурным слоем:
Температура на наружной поверхности стены:
Вычисленное распределение температур соответствует установившейся одномерной передаче тепла через конструкцию и достаточно близко может совпасть с изменениями температур в натурных условиях лишь для участков панельной стены, удаленных от оконных проемов и стыков (например, для панелей глухих торцовых стен), и при этом в периоды времени, характеризующиеся устойчивыми значениями температуры наружного и внутреннего воздуха, близкими к расчетным и не изменяющимися в течение нескольких суток.
В других случаях между значениями вычисленных и измеренных температур могут быть существенные различия, объясняемые двумерной передачей тепла или тепловым состоянием конструкции, сохранившимся от предыдущих погодных условий.
Примечания
1. В том случае, если применяются материалы, теплопроводность которых изменяется в реальных условиях эксплуатации из-за уплотнения и деформации структуры (например, минеральный войлок), или материалы со сквозной пористостью, вызывающей перенос тепла конвекцией и излучением, выражение (1.22) может быть записано в виде R=?/b?, где b — коэффициент качества теплоизоляции, значение которого превышает единицу (например, b=1,2) и устанавливается опытным путем.
Читайте также: