ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ

Теплый дом

 

Городской житель живет довольно спокойной жизнью. Обо всем заботятся коммунальные структуры. Отопление включается само собой, вода течет из крана как по волшебству, причем, утекает в канализацию, которая неизвестно где находится и вообще является понятием абстрактным.


Так и зима с ее проблемами тепла и утепления. Из регулировок — одна форточка. Жарко — открыли, холодно — закрыли. А если что сломается, да не починят вовремя, люди в праведном гневе выходят на улицы, скандируют лозунги, и сразу все нормализуется.
А в «деревне» жизнь совсем другая! Зима надвигается как нечто экстремальное. Есть реальное волнение относительно минимальных температур, ветров, количества снега. Представить страшно, что случится, если, например, сломается насос в скважине. А если замерзнет вода в трубе, по которой та движется в дом? А не дай бог, что случится с канализацией? А газ выключат? А электричество? Смотрите — больше пяти узких мест. Если сбой хоть в одном — все, жизнь останавливается. С точки зрения городских жителей мы, кто живет за городом — просто несчастные люди.

Теперь о вопросе отопления. Чем дальше, тем острее стоит проблема нехватки, казалось бы, заурядной «вещи» — тепловой энергии. Нет ли у нас чего-нибудь более разумного в плане погреться, чем тупо сжигать, сжигать, сжигать… а когда всё сожжём, и дрова, и нефть с газом, и плутоний с торием и ураном (…), пытаться подставить затянутому дымом Солнцу спину, кое-как прикрытую рваным тряпьём?
Есть, и давно. Есть и хорошие теплоизоляторы, есть и тепловые насосы, есть и термоэлектрические преобразователи, — всё есть. Беда лишь в том, что люди об этом не знают. Точнее сказать, знать-то «знают», в смысле — слыхали. Но вот понять принцип действия и рассчитать требуемые параметры: теплоизолятора,
дымзащищающего дом; теплового насоса, позволяющего ввести в жилище, теплицу, предприятие, транспортное средство тепла во много раз больше, чем затрачено энергии нами; термоэлектрического преобразователя и также тепломе­ханического преобразователя («тепловой машины») разности температур в электроэнергию; теплообменник для того, чтобы в доме всегда был воздух и свежий, и тёплый без лишних затрат мощности… — могут далеко не все.

Вот и чадят кочегарки, болеют шахтёры, нефтяные магнаты травят и крушат тундру, и все в конечном итоге вылетает в трубу. Уже второй век Россия потребляет на нужды отопления в 3-4 раза больше невосполнимых природных ресурсов, чем зарубежные страны с похожими климатическими условиями. Плохая теплозащита становится причиной потери трети потребляемой тепловой энергии.

Но мы отвлеклись. Итак, каждому хочется жить в теплом доме, но далеко не каждая постройка удовлетворяет нормам теплоизоляции. Теплосбережение — дело серьезное. Над проблемами разработки материалов, их классификации и методик применения бьются целые исследовательские институты. Одно можно сказать точно: универсального утеплителя нет. Так же как нет и универсального «рецепта» использования уже существующих материалов. Какой утеплитель брать, как и в каких количествах укладывать — все зависит от климатических условий, условий эксплуатации, от конструкции, в которой этот материал применяется. Невзирая на широкое практическое использование теплоизоляторов, выпускник средней школы или даже взрослый человек обычно не способен правильно объяснить физический принцип действия даже простейших из известных способов теплоизоляции. Тем более рассчитать их параметры.

Итак, из чего строить дом и как его утеплить? Давайте разберемся: выясним все (ну хотя бы многое) о теплопроводности материалов, ознакомимся с методикой экспериментального определения теплопроводности теплоизоляционных материалов и сделаем соответствующие выводы. Поняв основные принципы, мы, я надеюсь, сможем самостоятельно приложить теорию к практике, то есть к своему личному дому и своим личным условиям, к погодным, материальным и всем остальным.

Передача тепла и теплопроводность

Два соприкасающихся тела или среды, всегда передают друг другу энергию в виде тепла. Передача тепла происходит до тех пор, пока температуры объектов не сравняются.

Передача тепла может быть желательна, например, при нагреве воздуха внутри помещения от радиатора или печи, а может быть нежелательна, при рассеивании тепла нашего дома в более холодную окружающую среду. Здесь мы подходим к понятию теплопроводности. Теплопроводность есть способность тела передавать тепло. Разные тела обладают разной теплопроводностью. На житейском опыте и из курса физики мы знаем, что чем тело плотнее, тем тепло передается быстрее, и теплопроводность у такого тела больше. Материалы, обладающие плохой теплопроводностью, применяют для сохранения тепла.

Воздух обладает весьма малой теплопередачей. У твердых тел не бывает значений теплопередачи ниже, чем у воздуха. Однако, воздух в чистом виде редко используется в качестве утеплителя. Воздух очень трудно поймать и заставить не двигаться. Ветер, то есть постоянный подвод к телу воздуха другой температуры значительно ускоряет передачу тепла от тела к окружающей среде.

Теплопроводность измеряется коэффициентом теплопроводности. Чем меньше коэффициент, тем больше подходит материал для утепления. С другой стороны, теплопроводность можно увеличить, увеличивая толщину выбранного материала. Коэффициенты теплопроводности приводят в разных строительных справочниках и, иногда, пишут на упаковках строительных материалов. К сожалению все считают теплопроводность по-разному. Поэтому, не углубляясь в тонкости, скажу просто, что теплопроводность сухого дерева сосны, в 4-5 раз меньше, чем теплопроводность кладки из полнотелого красного строительного кирпича. Отсюда, заметьте, и старые строительные нормы, рассчитанные для средней полосы России. Кирпичная кладка толщиной 64 см. вполне заменяется стеной из бруса в 15 см. Такие стены примерно эквивалентны по теплопроводности. Если бы мы строили стену из пенопласта, то могли бы сделать стену еще в 3-5 раз тоньше.

Иногда на практике для измерения теплопроводности используют плотность строительного материала. Связь теплопроводности и веса определенного объема материала понятна. Чем куб материала легче, тем больше в нем воздуха, а, значит, и теплопроводность ниже.

На теплопроводность влияет такое явление, как влажность. Вода имеет довольно высокий коэффициент теплопроводности и, когда замещает собой воздух в нашем материале, ухудшает его теплопроводность.

(Прим.: Коэффициент теплопроводности — это количество теплоты, проходящее за 1 час через 1м2 поверхности испытуемого материала толщиной в 1м при разнице температур поверхностей этого материала равных 1оС; обозначение – λ, ед. измерения — Вт/м*ºС.)

С влажностью связан еще один аспект, важный для жизни и строительства. Дело в том, что испарение жидкости требует в несколько (!) раз больше тепла, чем доведение этой же жидкости до точки кипения. А именно: на нагревание 1 кг воды от 0 до 100ºС требуется 0,42 млн Дж тепла, а на ее испарение при температуре кипения 2,3 млн Дж, т.е. в 5,5 раз больше!

На практике мокрая стена в процессе высыхания отбирает у дома поистине огромное количество тепла, а ветер еще и ускоряет этот процесс.

 

Измерение теплопроводности материалов

Теплопроводность материала можно определить несколькими способами.

1 способ. Определить коэффициент теплопроводности материала можно в лабораторных условиях. Метод заключается в создании одностороннего кратковременного теплового импульса на поверхности изделия и регистрации изменения температуры на этой поверхности.

2 способ — подручные средства. Положите руку ладонью на кусок
пенопласт пенопласта. Буквально через пару-тройку секунд вы ощутите, что ваша ладонь значительно нагрелась. Вы даже готовы сказать, что пенопласт греет. На самом деле, все строго наоборот. Греет рука, а пенопласт, благодаря своей крайне малой теплопроводности не дает теплу уходить. Кусок металла, напротив, в большинстве случаев руку холодит. Это значит, что теплопроводность его настолько велика, что отвод тепла значительно превышает по скорости подвода.

3 способ. То же самое можно проделать (сравнить теплопроводности веществ) в лаборатории кабинета физики. Можно это сделать уже давно испытанным способом, используя спиртовку, две металлических проволоки и пластилин с кнопками. Правда, мы сможем сравнить теплопроводности только негорючих материалов.од тепла от руки. Кладем руку на дерево. Дерево вроде и не холодит, и не греет. Теплопроводность у него средняя. Можно поэкспериментировать со стекловатой, каменной ватой и шлаковатой. Но это очень неприятно для руки и может быть опасно для вашего здоровья. Данный способ применяется для сравнения теплопроводности веществ, а не для определения коэффициента теплопроводности.

 

Итак, какие выводы мы можем сделать?

1.Древесина. Теплопроводность дерева весьма невелика по сравнению с большинством остальных строительных материалов. Коэффициент теплопроводности, т. е. количество Джоулей, передающихся в течение 1 часа через 1 кв. метр стены толщиною в 1 метр, при разности температур в 1°С, для дуба равен 0,9; для ели — 0,7; для сосновых опилок 0,2.

Сравнивая дерево с прочими строительными материалами — каменными и металлическими, мы находим в нем следующие достоинства: сравнительно малый вес (что облегчает его доставку и перемещение), вязкость, гибкость, упругость, легкость обработки инструментами при достаточном, для большинства случаев, сопротивлении механическим усилиям. Самая форма древесного ствола — его большая длина сравнительно с толщиной — представляет достоинство, позволяя во многих случаях оста

влять ее без изменения. Недостатки дерева, как материала для построек — его легкая воспламеняемость и способность загнивать от сырости.

Это позволяет делать наружные деревянные стены жилых построек значительно тоньше, чем каменные.

2. Пенополистирол. Имеет достаточно низкие механические свойства. Не устойчив к химическому воздействию. Часто является местом нахождения грызунов, что ограничивает его применение в пищевой промышленности. Коэффициент теплопроводности материала 0,04-0,055 Вт/ м*ºС. Современные полистиролы могут быть трудно горючими материалами, но в составе конструкции (сэндвич-панели) делают ее крайне неудачной с точки зрения противопожарных норм. При достаточно низкой температуре (65-70ºС) пеноматериал превращается в обычный полистирол, который, естественно, не обладает хорошими теплоизоляционными свойствами.

теплоизоляционные материалы

3. Минеральная вата – теплоизоляционный материал с волокнистой структурой. Пространство между волокнами заполнено воздухом, который, по сути, и является теплоизолятором. Коэффициент теплопроводности 0,06-0,07 Вт/ м*ºС. Высокая степень впитывания влаги и значительная масса (в панелях применяется вата с плотностью не менее 100-120 кг/куб.м).

Опыт использования минеральной ваты в районах с резкими колебаниями температуры и влажности показал, что эффективную теплозащиту этот материал обеспечивает не более чем на 1-2 сезона, после чего набирает влагу и теряет свои теплоизоляционные свойства.

Применение этого теплоизолятора достаточно широко распространено в России, так как у него есть одно преимущество – по российским нормам он является негорючим материалом. Несомненно, что чистая минеральная вата является таковым материалом, но та ее разновидность, что применяется при производстве сэндвич-панелей, отнюдь. Для обеспечения уменьшения степени впитывания влаги, волокна пропитывают специальными органическими добавками, которые, в свою очередь, (как и вся органика) горючи. При производстве панелей для скрепления наполнителя с покровными листами используют полиуретановые клеи (до 2-х кг на кв. м), которые, в свою очередь, тоже являются горючими. Таким образом, если рассматривать панель с наполнителем из минеральной ваты как конструкцию, то между листами металла содержится до 10% горючих составляющих.
При пожаре под воздействием огня покровный лист достаточно быстро скатывается, оголяя утеплитель, который под воздействием ветра, тлея, разлетается на достаточно большую площадь. При этом куски тлеющей ваты являются дополнительными источниками возгорания.

4. Пенополиуретан – 95% всех сэндвич панелей, выпускаемых в мире, имеют именно этот наполнитель. Является абсолютным лидером среди материалов, используемых в качестве наполнителя сэндвич-панелей. Превосходные теплоизоляционные характеристики (коэффициент теплопроводности 0,022 Вт/ м*ºС). Небольшая масса (средняя плотность 40 кг/куб.м). Строительные материалы, с которыми может применяться полиуретановое заполнение панели: гипсокартон, гипсоволокнистый лист, цементостружечная плита, асбестоцементный лист, фанера, бумага и многое другое. Высокая химическая и термостойкость. В этом материале не живут насекомые и грызуны, он не подвержен гниению и распространению грибков и плесени.

Пенополиуретан гарантированно не теряет своих характеристик в течение 10 лет, в последующие 5 лет потеря теплоизолирующей способности составляет не более 3-5%. Возможность использования более тонких панелей, легкость конструкции позволяет закладывать в проекты более легкие и дешевые несущие конструкции, облегчать фундамент, уменьшать расходы по транспортировке и монтажу панелей. В среднем, при использовании этих панелей можно достичь экономии средств до 30%. Единственным вопросом, который беспокоит проектировщиков в нашей стране, является горючесть пенополиуретана.

5. Каменная вата относится к группе минераловатных изделий. Минеральная вата — это общее название для всех неорганических волокнистых материалов. По роду сырья они делятся на три типа: шлаковата, стекловата и вата из базитных горных пород, которую иногда называют «базальтовая вата». К последней категории относится и каменная вата , которая благодаря своей основе обладает рядом уникальных свойств, позволяющих применять ее в различных строительных конструкциях и системах.

Каменная вата состоит из чрезвычайно тонких (0,04 мкм), хаотично переплетенных волокон, между которыми находится воздух. Фактически в них содержится много воздуха и мало камня, что обеспечивает их незначительную плотность (30-240 кг/м3). Это, в свою очередь, обусловливает их низкую теплопроводность — от 0,032 до 0,038 Вт/ м*ºС в сухом состоянии.Теплопроводность различных материалов

 

Но все же однослойные конструкции экономически не отвечают нормам строительной теплотехники. К примеру, в случае использования высокой несущей способности железобетона или кирпичной кладки, для того, чтобы этим же материалом выдержать нормы теплосопротивления, толщину стен необходимо увеличить соответственно до 6 и 2,3 метров, что противоречит здравому смыслу. Если же использовать материалы с лучшими показателями по теплосопротивлению, то их несущая способность сильно ограничена, к примеру, как у газобетона и керамзитобетона, а пенополистирол и минвата, эффективные утеплители, вообще не являются конструкционными материалами.

Многослойная стена

На данный момент нет абсолютного строительного материала, у которого бы была высокая несущая способность в сочетании с высоким коэффициентом теплосопротивления.
Чтобы отвечать всем нормам строительства и энергосбережения необходимо здание строить по принципу многослойных конструкций, где одна часть будет выполнять несущую функцию, вторая — тепловую защиту здания. В таком случае толщина стен остаётся разумной, соблюдается нормированное теплосопротивление стен.

Один комментарий на “ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *