Теплопроводность кирпичей

Теплопроводность кирпичей

Актуальность именно такого выбора подтверждается его неоспоримыми преимуществами. Среди них экологичность, морозостойкость, пожароустойчивость — и все это уже не говоря о прочности и долгой службе, которая подразумевается априори. Наряду с этим при возведении объектов важно учитывать теплопроводность кирпичной стены.

В настоящее время активно распространены несколько видов. Среди них выделяют следующие:

• белый (силикатного типа);
• (глиняный).

Подобные блоки могут быть самой различной формы и фактуры. Похожи они только своими геометрическими параметрами. На самом деле различия гораздо глубже:

1. В составе керамического лежит глина и различные добавки.
2. Силикатный получают из кварцевого песка, извести и воды.

Теплопроводность красного кирпича (керамического типа) имеет настоящее народное признание. И это неспроста: он встречается в самых различных интерпретациях (пусто- и полнотелый, облицовочный и имеющий интересную фактуру), но каждое из них будет уникальным и подойдет для возведения любого типа зданий.

Что такое теплопроводность, термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности

Что же за «зверь» − теплопроводность? Если «расшифровать» сложное физическое определение, то можно получить следующее пояснение. Теплопроводность – свойство, которым обладают все строительные материалы. Характеризуется способностью отдавать тепло от нагретого предмета более холодному. Чем быстрее и интенсивнее это происходит, тем холоднее сам материал, соответственно, и строение из него нуждается в более интенсивном обогреве. Что не очень эффективно, особенно в денежном плане.

Для оценки величины теплопроводности используются специальные коэффициенты, которые уже заранее выявлены. ГОСТ 30290-94 контролирует методы определения подобной характеристики. Последняя нераздельно связана с термическим сопротивлением, которое означает сопротивление слоя теплоотдачи. В случае многослойного материала оно рассчитывается как сумма термических сопротивлений отдельных слоёв. Сама же эта величина равна отношению толщины слоя к коэффициенту.

Внимание! Для упрощённого расчёта теплосопротивления стены в сети можно найти калькулятор с доступным и понятным интерфейсом.

Как видите, в определении теплопроводности нет ничего сложного и непонятного. Зная все подобные характеристики будущих материалов, можно составить «энергоэффективный бутерброд», но только при условии учёта всех обстоятельств, которые будут влиять на теплоэффективность каждого слоя конструкции.

В чем измеряется теплопроводность ее физическая сущность

Что такое теплота? Это движение молекул вещества, хаотичное в газе или жидкости, и вибрированное в кристаллических решетках твердых тел. Если металлический прут, помещенный в вакуум, подогреть с одной стороны, атомы металла, получив часть энергии, начнут вибрировать в гнездах решетки. Эта вибрация станет передаваться от атома к атому, благодаря чему энергия постепенно распределится равномерно на всю массу. У одних материалов, например, у меди, этот процесс занимает секунды, у других же на то, чтобы тепло равномерно «растеклось» по всему объему, потребуются часы. Чем выше разность температур между холодным и горячим участками, тем быстрее идет передача тепла. Кстати, процесс ускорится при увеличении площади контакта.

Коэффициент теплопроводности (х) измеряется в Вт/(м∙К). Он показывает сколько тепловой энергии в Ваттах будет передаваться через один квадратный метр при разности температур в один градус.

Теплотехнический расчёт стены

Назначение здания — административное.
Расчетная температурой наружного воздуха в холодный период года, text = -40 °С;
Расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, tint = +20 °С;
Средняя температура наружного воздуха отопительного периода, tht = -8 °С;
Продолжительность отопительного периода, zht = 241 сут.;
Нормальный влажностный режим помещения и условия эксплуатации ограждающих конструкций — А (сухой режим помещения в нормальной зоне влажности).
Коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, n = 1;
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, αext = 23 Вт/(м²•°С);
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, αint = 8.7 Вт/(м²•°С);
Состав наружной стены:

Определение требуемого сопротивления теплопередаче

Определим величину градусо-суток Dd в течение отопительного периода по формуле 1 [СП 23-101-2004]:

где t_int — расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания [табл.1, СП 23-101-2004];
t_ht — средняя температура наружного воздуха отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004];
z_ht — продолжительность отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004].

Определим требуемое значение сопротивления теплопередачи Rreq по табл. 3 [СП 50.13330.2012]

где D_d — градусо-сутки отопительного периода;
а=0,0003 [табл.3, СП 50.13330.2012]
b=1,2 [табл.3, СП 50.13330.2012]

R_req = 0.0003*6748+1.2=3.2244 м 2 *°С/Вт,

Определение приведённого сопротивления теплопередаче стены

где α_в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по табл. 4 СП 50.13330.2012;
α_н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкций для условий холодного периода, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по таблице 6 СП 50.13330.2012;

R_s — термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента (м 2 *°С)/Вт, определяемое по формуле:

δ_s — толщина слоя, м;
λ_s — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м*°С), принимаемый согласно приложения Т СП 50.13330.2012.
y_s уэ — коэффициент условий эксплуатации материала слоя, доли ед. При отсутствии данных принимается равным 1.

Расчетное значение сопротивления теплопередаче, R:

R > R_req — Условие выполняется

Толщина конструкции, ∑t =675 мм;

Определение температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции

Значение выразим из формулы (5.4) СП 50.13330.2012

Δt н > Δt, 4.5 °C > 1.469 °C — условие выполняется.

Моделирование однородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Схема ограждающей конструкции:

Создаём задачу в 15-м признаке схемы. Рассмотрим участок стены, длиной 1 м

Шаг 1 геометрия

Шаг 2 Создание элементов конвекции

Моделируем стержни по наружной и внутренней граням стены. Стержням следует присвоить тип КЭ №1555. Они являются своего рода граничными условиями и, в то же время, воспринимают температуру воздуха.

Шаг 3 характеристики материалов

В окне задания типов жёсткости следует создать жёсткость: пластины Теплопроводность (пластины). В окне характеристик жёсткости вводятся параметры Н — толщина пластины, К — коэффициент теплопроводноти, С — коэффициент теплопоглощения, R0 — удельный вес.

Характеристики слоёв стены:
Кирпич облицовочный пустотелый Н=100 см, К=0.64 Дж/(м*с*°С);
Теплоизоляция Н=100 см, К=0.039 Дж/(м*с*°С);
Кирпич полнотелый Н=100 см, К=0.81 Дж/(м*с*°С);
Штукатурка ц.п. Н=100 см, К=0.76 Дж/(м*с*°С);

Для элементов конвекции, следует создать типы жёсткости Конвекция (двухузловые). Для таких элементов задаются коэффициенты конвекции внутреннего и внешнего слоя.

Шаг 4 Внешняя нагрузка

Через внешнюю нагрузку задаётся температура воздуха для элементов конвекции. Для этого, в разделе нагрузки, нужно открыть Заданная t.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.531 °С (результат замера температуры в узле).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Теплотехнический расчёт наружной стены здания с учётом неоднородности

Исходные данные

Для расчёта принимается конструкция стены, рассмотренная в предыдущем примере. Неоднородностью будет выступать кладочная сетка, служащая для крепления облицовки к несущему слою кладки. Параметры сетки: d=3 мм, шаг стержней 50х50 мм.

Определение приведённого сопротивления теплопередаче с учётом неоднородностей

Приведённое сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания R пр , (м 2 *°C)/Вт, следует определять по формуле:

где R усл — осреднённое по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, (м 2 *°C)/Вт;
l_j — протяжённость линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м 2 ;
Ψ_I — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м*°С);
n_k — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт./м 2 ;
χ_k — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/°С;
a_i — площадь плоского элемента конструкции i-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м 2 /м 2 ;

где A_i — площадь i-й части фрагмента, м 2 ;
U_i — коэффициент теплопередачи i-й части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i-го вида), Вт/(м 2 *°С);

Определение удельных потерь теплоты кладочной сетки

Кладочная сетка, через которую осуществляется связь между облицовкой и несущим слоем, является линейной неоднородностью. Удельные потери теплоты через линейную неоднородность, определяются по СП 230.1325800.2015, приложение Г.7 Теплозащитные элементы, образуемые различными видами связей в трёхслойных железобетонных панелях.

Удельное сечение металла на 1 м.п. в рассматриваемом примере составит S*(1000/50)=3.14159*d 2 /4*(1000/50)=1.41372 см 2 /м

Удельные потери теплоты будут определяться по интерполяции между значениями, найденными по таблицам Г.42 и Г.43 СП 230.1325800.2015

Таблица Г.42 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 0,53 см 2 /м

Таблица Г.43 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 2,1 см 2 /м

Обозначения в таблицах:
— толщина слоя утеплителя d_ут, мм;
— теплопроводность основания λ, Вт/(м*°С), для кирпичной кладки из полнотелого керамического кирпича принимается λ = 0.56;
— удельное сечение металла на 1 м.п. сетки, см 2 /м.

Потери теплоты по таблице Г.42:

Потери теплоты по таблице Г.43:

Итоговое значение потерь теплоты:

Суммарная протяжённость линейных неоднородностей Σl_j = 2 м.

Подставив полученные значения в формулу (Е.1), получим:

Моделирование неоднородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Для построения модели неоднородной стены, принимается модель, созданная на предыдущем этапе. Теплопроводные включения моделируются как стержневые элементы теплопроводности, которые пересекают три слоя стены: кладка, теплоизоляция, облицовка. Стержни расположены с шагом 40 см по высоте. Теплопроводность арматурной стали 58 м 2 *°С/Вт.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.087 °С. (среднее значение температуры на внутренней поверхности стены).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

Виды пенобетона

Легкие пенобетонные блоки подразделяются на три вида:

• теплоизоляционный (с низкой плотностью, 400 — 500 кг/м.куб), которым характерно наличие большого количества пустот — применяются для создания надежной теплоизоляции стен;
• конструкционно-теплоизоляционный (со средней плотностью, 600 — 700 кг/м.куб) — обладают хорошей теплостойкостью и несущей способностью;
• конструкционный (с высокой плотностью, 1100 — 1200 кг/м.куб и малым содержанием пустот) — применяются для возведения несущих стен, но недостаточно удерживают тепло.

Как изготавливают пенобетон читайте в этой статье.

Теплопроводность древесины. Теплотехника деревянных домов

23 ноября 2020

В любом здании внутренняя и внешняя поверхности нагреваются различно. В результате от точки большего нагрева к точке меньшего нагрева начинается поток тепла. Передача тепла в разных материалах происходит по-разному. На это влияет такое свойства материалов как теплопроводность.

В рамках строительства домов при рассмотрении вопроса теплопроводности, потери тепла, когда стены имеют ровную поверхность, условно принимают передачу тепла как прямой, а не хаотичный поток. При этом и температура рассматривается не поверхности материала, а температуры внутри помещения и снаружи.

Рассмотрим особенности теплопроводности и потери тепла в деревянных домах.

Древесина как строительный материал

Неоднократно уже указывалось в наших статьях, что строительный материал изначально, впрочем, часто и сейчас, привязывался к регионам строительства. Вполне естественно, что в России основным строительным материалом стала древесина разных пород деревьев с учетом места их произрастания.

В местах отсутствия леса, например, в степных районах, таким строительным материалом становился саман — смесь глины с соломой (именно эта идея лежит в изготовлении современного арболита). В местах выхода скалистых пород строительным материалом мог становиться натуральный камень. В первую очередь известняк, так как он легче поддавался обработке.

Но даже при наличии других строительных материалов предпочтение часто отдавалось древесине. Более того, происходит это и в настоящее время даже при условии наличия развитой транспортной сети и грузоперевозок строительных материалов.

Теплопроводность древесины

Строительство домов из дерева ведется как в отношении маленьких дачных домиков, небольших домов для постоянного проживания или загородного отдыха, так и в отношении больших коттеджей. Одним из важнейших факторов является достаточно низкая теплопроводность древесины. Сравним данные на конкретных примерах.

* Данные из СНиП II-А.7-62 Строительная теплотехника и СНиП II-3-79 Строительная теплотехника

Теплопроводность и другие свойства древесины разных пород деревьев

Если сравнить показатели в таблицах, то хорошо видно, что теплопроводность древесины ниже теплопроводности многих стеновых материалов. Лишь некоторые современные материалы приближаются, поэтому показатель с деревом (в таблицу не выведены данные по утеплителям, т.к. это не конструктивный материал, который будет рассмотрен в отдельной статье).

Изменение требований к теплосопротивлению ограждающих конструкций: слева R

При сравнении разных видов пород необходимо отметить, что на показатель теплопроводности древесины оказывает влияние её плотность и влажность. Плотность одной и тоже породы дерева может зависеть от места произрастания. По этой причине в таблице местами указаны несколько показателей.

Одной из самых «теплых» пород деревьев является кедр. Его коэффициент теплопроводности составляет 0,095 Вт/(м*С). Дом, построенный из кедра, будет очень хорошим вложением, так как позволит экономить на отоплении.

Ель также является хорошим решением для строительства в плане экономии на отоплении. Схожа с елью пихта, но только при условии, что нет повышенной смолистости. Именно смолистость сосны и её плотность отодвигает её на следующую позицию.

Плотность деревьев, особенно хвойных, очень зависит от места их произрастания, а это сказывается на теплопроводности. Показательным примером является именно сосна.

Так в северных районах России, например, Астраханская область, которая славится мачтовыми соснами с малой сбежестью ствола, годовой прирост у сосны не большой, древесина плотная. В Вологодской области часто предпочитают строить из ели, а не из сосны. В то же время в южной тайге сосна имеет резкий прирост летом с древесиной меньшей плотности. В результате теплопроводность такой сосны ниже, но и сбежесть больше.

В строительстве закрепилась практика применения для расчетов усредненного коэффициента теплопроводности для деревянных домов на основе средних данных по сосне, то есть 0,15 Вт/(м* 0 С). В действительности, если рассматривать сухую древесину, то коэффициент теплопроводности составит 0,11 — 0,13 для ели, пихты, сосны и лиственницы и менее 0,1 Вт/(м* 0 С) для кедра. Эти показатели сопоставимы, например, с газосиликатным блоком автоклавного производства.

Толщина стены из дерева

С учетом коэффициента теплопроводности 0,11 — 0,13 1 Вт/(м* 0 С) и сопротивления теплопередаче для средней полосы европейской части России равной 3 м2* 0 С/Вт. Таким образом, толщина стены должна равняться 0,11*3=0,33 метра или 0,13*3=0,39 метра. С учетом этих показателей и применяется усредненный вариант толщины стены для сосны 37 см. Это норма для энерго- и теплосберегающих условий.

Для нас привычно, что стена в доме ровная, плоская. Учитывая тот факт, что тепло передается благодаря хаотичному движению частиц, но в условиях плоской стены можно говорить о прямолинейной передаче тепла от зоны с высокой температурой в зону с низкой. В условиях со стеной из бруса и лафета для энергоэффективного дома потребуется толщина стены 37 см.

Но в условиях с бревном ситуация будет выглядеть иначе. Закругленная поверхность «создаст» разнонаправленные векторы передачи тепла. В результате чего за толщину стены необходимо принимать диаметр бревна, а не его половину по самому узкому месту. Зону межвенцового паза или, как еще называют, теплового моста можно рассматривать как «мостик холода» аналогично раствору в кирпичной кладке.

Иными словами, в случае строительства дома из бревна, он должен строиться из бревна диаметром 37 см.

Здесь необходимо заметить, что толщина стены это только одно из условий энергоэффективности. Существует еще и понятие допустимых к эксплуатации условий когда, например, рассматривается температура помещений не 24 0 С, а 18 — 20 0 С.

Кроме этого возможна ситуация, когда строительство энергоэффективного дома оказывается нерациональным с учетом стоимости строительство и дальнейшего ремонта, расход на которые может оказаться выше экономии на отоплении. Если же посмотреть СНиП 30-ти летней давности, то выяснится, что достаточной была толщина стены из дерева в 2 — 3 раза тоньше.

Строить дом с большей толщиной стены и меньше тратить на отоплении или построить дом дешевле, но на отоплении тратить больше — это вопрос, на который каждый должен ответить для себя лично. Проектирование дома должно вестись с учетом ответа на этот вопрос.