коэффициент теплопередачи u что это

Коэффициент теплопроводности материалов

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

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.

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.

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.

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.

Источник

Коэффициент теплопередачи U для окон

Рынок окон очень богат. В зависимости от наших ожиданий, требований и финансовых возможностей, мы можем свободно рыться в предложениях производителей

Коэффициент теплопередачи

Коэффициентом теплопередачи U называется размер, определяющий количество тепла, которое выходит из дома через окно. Чем значение U меньше, тем лучше. Решив купить окна, именно коэффициент теплопередачи U должен быть одним из самых важных параметров, который мы должны рассмотреть. Коэффициент У в настоящее время производимых, стандартных окон ПВХ составляет в среднем 1,1-1,5 вт/(м2·K). Если мы строим дом энергоэффективный, стоит инвестировать в энергосберегающие окна стоимостью не более 1,0 вт/(м2*K). Окна в пассивных зданиях должны иметь общий коэффициент теплопередачи не выше 0,8 вт/(м2*K) и проницаемость солнечной энергии через окна выше 50%.

Значения коэффициента теплопередачи У окон применяются стекла, рам и всего окна. Коэффициент Ug касается теплопередачи через стекло ( Ug = от слова glass – стекло), коэффициент Uf касается проникновения тепла через рамы ( Uf = от слова frame – рамка), в свою очередь, коэффициент Uw определяет проникновение тепла через все окно ( Uw = window – окно)

От типа стекла, используемого для производства окон (так называемый пакет шахтной печи) зависит коэффициент теплопередачи U для всего окна.

Традиционные, производимые когда-то окна имели очень низкое тепловое сопротивление, потому что для их производства использовались одинарные стекла толщиной от 3 до 5 миллиметров. В настоящее время применяется стеклопакет, с заполнением пространства между стеклами воздухом или специальными газами, такими как: аргоном, ксеноном.

В производстве окон применяются наиболее часто флоат-стекло. На рынке имеются также окна со стеклом powleczonym покрытиями. Коэффициент теплопередачи в такого рода окнах меньше коэффициента стекол примерно на 30%, так что потери тепла значительно снижаются.

Для одного стекла 4 мм, коэффициент теплопередачи составляет 5,0 Вт/(м2*K). Для стеклопакета из стекла float, 4/12/4, коэффициент имеет значение 3,0 вт/(м2*K). В случае стеклопакета 4/15/4 с покрытием низкоуглеродистой и заполненной специальным газом, коэффициент теплопередачи составляет только 1,1 вт/(м2*K).

Если речь идет об оконные профили, в настоящее время изготавливаются из дерева, пластика (ПВХ), алюминия или из стекловолокна. Все их виды, близкие с точки зрения долговечности и качества. Коэффициент теплопередачи рам деревянных и из ПВХ составляет обычно около 2,0 вт/(м2*K). Улучшены технологически рамы окон из ПВХ с пупырышками воздушными, заполненных пенопластом характеризуются коэффициентом теплопередачи даже примерно 0,7 Вт/(м2*K).

Проницаемость тепла, отвечает, в первую очередь, на вопрос, в какой степени окно, предохраняет от потери энергии, необходимой для обогрева помещений. Чем ниже коэффициент теплопередачи Uw, выраженный в Вт/(м2*K), тем окно лучше защищает от нежелательных потерь тепла.

Источник

Энергоэффективный дом

Расчет теплоизоляции

Чтобы самостоятельно выполнить расчет теплоизоляции, необходимо разобраться с основными понятиями, которые имеют разный физический смысл, хотя на первый взгляд означают одно и то же. Именно поэтому и следует рассмотреть их максимально внимательно.

1. Коэффициент теплопроводности λ

Теплопроводность — это перенос тепловой энергии структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Явление теплопроводности подчиняется закону теплопроводности Фурье, который, если речь идет о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой, выражается так:

P=-λ×SΔT/h

P — полная мощность тепловых потерь;

S — площадь сечения параллелепипеда;

ΔT — перепад температур граней (измеряется в градусах по шкале Кельвина). При измерении температурных перепадов 1 K приблизительно совпадает 1 градусом по шкале Цельсия (1 °С);

h — длина параллелепипеда (расстояние между его гранями).

2. Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности (λ) измеряется в Вт/(м×K).

Коэффициент теплопроводности конкретного материала характеризует способность этого материала проводить тепло.

3. Коэффициент теплопередачи U

Коэффициент теплопередачи U показывает, какое количество тепловой энергии (Вт×с) проходит через один квадратный метр поверхности однородной ограждающей конструкции за 1 секунду при заданной разности внешней и внутренней температур в 1 K. Размерность этого показателя: Вт/(м 2 ×K).

Коэффициент теплопередачи показывает, насколько хорошо элемент конструкции (крыша, стена, пол) проводит тепло. Чем ниже этот показатель, тем хуже пропускается тепло и тем лучше теплоизоляция. Коэффициент теплопередачи — это предпочтительный способ сравнения энергетической эффективности строительных конструкций.

П Р И М Е Р

Физический смысл коэффициента теплопередачи можно пояснить следующим примером. В начале XX века внешние стены дома строили из полнотелого кирпича. Как правило, такая стена имела толщину 24 см, с двух сторон она покрывалась слоем штукатурки толщиной 1,5 см. Коэффициент теплопередачи такой стены состав- ляет примерно 2 Вт/(м 2 ×K). При разности температур в 1 K (например, 21 °С внутри помещения и 20 °С — снаружи) потеря энергии составляет 2 Вт на 1 квадратный метр поверхности. Стена площа- дью 30 м (12?2,5) теряет примерно 60 Вт. При понижении внешней температуры соответственно увеличивается и потеря энергии. При внешней температуре 0 °С, разница составит 21 градус, а потеря тепла за 1 час будет равна 1 ч×21 K×60 Вт/К = 1260 Вт×ч или 1,26 кВтч. За 24 часа получается 24 ч×1,26 кВт=30 кВтч, что соот- ветствует сжиганию топлива объемом 3 литра.

4. Сопротивление теплопередаче

Сопротивление теплопередаче (R) представляет собой величину, обратную коэффициенту теплопередачи (U), и, соответственно, описывает, насколько хорошо конкретный материал сопротивляется передаче тепла. Чем выше сопротивление теплопередаче, тем лучше теплоизоляция. Размерность этого показателя: (м 2 ×K)/Вт.

5. Коэффициент теплообмена α

Коэффициент теплообмена α выражает количество тепла, которое за одну секунду обменивается между 1 м 2 твердой поверхности и касающимся его воздухом, когда разница температур между поверхностью и воздухом составляет 1 К. Единица измерения: Вт/(м 2 ×K).

6. Потери тепла через ограждения помещения

Трансмиссионный поток теплоты через ограждающую конструкцию (передающаяся тепловая нагрузка) определяется следующим образом:

A — площадь поверхности элемента здания, м 2 ;

U — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м 2 ×K);

R=1/U— сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м 2 ×К)/Вт;

t_i — температура воздуха внутри помещения, °C;

t_e — температура наружного воздуха, °C.

Коэффициент теплопередачи (U) для элемента здания, представляющего собой многослойную конструкцию, вычисляется по следующему соотношению:

α_i — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения;

α_e— коэффициент теплообмена на внешней поверхности ограждения;

h_i— толщина i-го слоя ограждающей конструкции;

n — количество слоев в многослойной ограждающей конструкции;

λ_i — коэффициент теплопроводности i-го слоя ограждающей конструкции;

U — коэффициент теплопередачи элемента здания;

R_U — сопротивление теплопередаче 1/U;

R_λi — коэффициент термического сопротивления i-го слоя ограждающей конструкции.

Принятые на сегодняшний день в России стандарты не регламентируют значения коэффициента теплопередачи (U) для различных элементов зданий. Вместо этого для каждого слоя элемента должен быть определен коэффициент термического сопротивления R_λi, зависящий от коэффициента теплопроводности этого слоя. На рис. 2.11 приведен пример, взятый из действующего СНиП, регламентирующий значения коэффициентов теплопередачи стен, крыш и перекрытий для различных регионов России (для внутренней температуры 19 °С). Коэффициенты теплопроводности материалов можно найти в стандартных спецификациях к зданию. Тогда, как следует из только что приведенного соотношения, сумма значений коэффициентов термического сопротивления отдельных слоев и коэффициентов сопротивления теплообмену на внутренней и внешней поверхностях ограждения R_i=1/α_i или R_e=1/α_e дает величину общего коэффициента сопротивления теплопередаче элемента здания R_U=1/U.

Формула для расчета значения коэффициента теплопередачи (U), приводимого в стандарте, выглядит следующим образом:

U_n=ΔU_A+ΔU_S, где ΔU_A и ΔU_S характеризуют величины, связанные с изменением комфортной температуры и влиянием рассеянного солнечного излучения, соответственно.

Рис. 2.11. Нормированные значения коэффициента сопротивления теплопередаче для различных регионов России в соответствии с действующими СНиП

Тепловые потери через расчетные строительные конструкции, а именно наружные стены, пол, верхнее междуэтажное перекрытие или крышу, характеризуются коэффициентами теплопередачи U, Вт/(м 2 ×К) (в действующих СНиП РФ используется обратная величина R₀ (м 2 ×°С)/Вт). Эта величина показывает, сколько тепла отдается строительной конструкцией наружу в единицу времени при изменении температуры на 1 °С (или 1 К).

При суровых условиях в зимнее время в Средней Европе наружная температура составляет –12 °C, а требуемая внутренняя температура 21 °C. При различных значениях коэффициентов теплопередачи получается следующая мощность тепловых потерь (тепловой поток) через наружные стены при «расчетных условиях» (см. табл. 2.3).

Таблица 2.3. Расчетная мощность тепловых потерь через наружные стены (По данным Института пассивного дома (см. http://www.passiv-rus.ru/?page=87 ). Следует обратить внимание, что при адаптации этих данных к суровым климатическим условиям России нужно учитывать следующее: наружные температуры опускаются ниже (а значит, перепад температур — выше), а отопительный период — продолжительнее. Методику расчетов с практическими примерами можно найти в справочных материалах на CD, прилагаемом к данной книге.

Мощность тепловых потерь, Вт

Нормируемый годовой расход тепла на отопление, КВтч/(м 2 ×год)

В Средней Европе

В России

Тепловые потери являются решающей составляющей энергетического баланса здания. Любые тепловые потери необходимо компенсировать соответствующими тепловыми поступлениями. В противном случае произойдет падение температуры в доме.

С помощью компактной типовой системы отопления для пассивного дома можно выработать около 1000 Вт мощности (это мощность обычного фена для сушки волос). Так как большая часть этой мощности пойдет на компенсацию тепловых потерь от наружных стен, то, конечно же, коэффициент теплопередачи стены U должен быть действительно очень низким (или должно быть очень высокое значение сопротивления теплопередаче R₀).

Что же это означает для теплоизоляционной оболочки здания?

В первую очередь становиться ясно, что достижение таких низких величин U (или высоких R₀) возможно только благодаря материалам с высокими теплоизоляционными характеристиками. В табл. 2.4 приведена информация о том, какой толщины должны быть однослойные наружные конструкции, чтобы достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций дома с величиной U 2 ×К) (или R₀>7,7 (м 2 ×°С)/Вт).

Таблица 2.4. Данные о толщине однослойных наружных конструкций, позволяющих достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций пассивного дома (По данным Института пассивного дома ( http://www.passiv-rus.ru/?page=87 Прим. ред.)

Материал

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°×С)

Требуемая толщина в м для достижения U=0,13 Вт/(м 2 ×К) или R₀= 7,7 (м 2 ×°С)/Вт

Пустотелый кирпич с вертикальными пустотами

Древесина хвойных пород

Пористый кирпич, ячеистый бетон

Нанопористый суперутеплитель с нормальным давлением

Вакуумная теплоизоляция (кремнезем)

Вакуумная теплоизоляция (глубокий вакуум)

В таблице наглядно показано, что разумные границы по толщине наружной оболочки здания возможны только в том случае, если достигается существенный теплоизоляционный эффект с использованием утеплителей с низкими значениями коэффициентов теплопроводности. Для этого подходят все материалы, расположенные в табл. 2.4. Конечно же, комбинация с другими материалами не только возможна, но и во многих случаях необходима. Например: утепленная снаружи бетонная стена или монолитная стена из пенобетона с теплоизоляционными плитами из силиката кальция.

6.1. Тонкости наружной оболочки

Конструкция наружной оболочки будет тем тоньше, чем ниже коэффициент теплопроводности используемой теплоизоляции. Так, для пассивного дома (в условиях Германии) при применении в качестве наружных стен блоков из прессованной соломы необходимая толщина составит около 50 см или более. При применении более эффективных утеплителей (минеральная вата, пенополистирол, целлюлозная теплоизоляция) толщина теплоизоляции составит около 30 см. При использовании высокоэффективных утеплителей, таких как пенополиуретан, толщина теплоизоляции снизится до 20 см.

Есть и еще более эффективные виды теплоизоляции. Так, например, в Германии в настоящее время допущена к применению вакуумная теплоизоляция. С использованием вакуумных изоляционных панелей (ВИП) можно действительно получить очень эффективную и одновременно тонкую наружную оболочку. Не менее успешно зарекомендовал себя и другой вариант — «полупрозрачная теплоизоляционная оболочка».

При этом суммарная солнечная радиация абсорбируется не на поверхности оболочки, а проходит в глубину теплоизолированной конструкции, чтобы снизить разность температур и достичь низкого значения коэффициента теплопередачи U, эквивалентного требуемым значениям.

6.2. Увеличение толщины эффективной теплоизоляции

Опыт строительства первых пассивных домов показал, что увеличение толщины эффективной теплоизоляции можно реализовать в большинстве случаев:

Источник