Теплозащитные (теплоизоляционные) материалы и их основные характеристики

План

Введение

1. Теплозащитные (теплоизоляционные) материалы и их основные характеристики.
2. Теплозащита ограждающих конструкций.
3. Коэффициент теплопроводности различных материалов.
4. Установка теплоизоляции в ограждающих конструкциях.

 

 

 

Введение

Передача тепла в среде  происходит при наличии разности температур. При этом тепло распространяется из области повышенных температур в область пониженных. Например, зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения из здания, а летом при сильном нагреве поверхностей стен за счет солнечной радиации – в здание.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

1. Теплопроводность - способность материала передавать через свою

толщину тепловой поток, возникающий  из-за разности температур на противоположных поверхностях.

Теплопроводность характеризуется  количеством теплоты, проходящей за 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности

температур на противоположных  поверхностях образца 1 градуса Цельсия.

Наиболее полно  теплопроводность проявляется в  сплошных твердых телах, но также имеет место и в капельных жидкостях и газах. Теплопроводность выражается в Вт/(м К) или Вт/(м градус Цельсия).

Теплопроводность зависит  от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости, влажности и средней температуры материала. Чем больше пористость (меньше средняя плотность), тем ниже теплопроводность материала. С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала.

Различные материалы проводят теплоту по - разному: одни - быстрее (например: металлы), другие - медленнее (теплоизоляционные материалы).

Количественным показателем  теплопроводности различных тел  служит коэффициент теплопроводности – λ (лямбда). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла в Джоулях(Дж), проходящему через 1м² ограждения толщиной в 1 м в единицу времени при разности температур поверхностей ограждения 1 °С, и имеющим размерность Вт/(м×°С). Строительные материалы имеют коэффициенты теплопроводности в пределах от 3,5 (гранит) до 0,04 Вт/(м×°С) (пенополистирол). Определяется λ экспериментальным путем и зависит от плотности, влажности, температуры и структуры материала. Для большинства случаев увеличение плотности, влажности и температуры материала приводит к повышению величины λ.

2. Конвекция – процесс передачи тепла движущими массами жидкости

и газа. Движение это может быть естественным за счет температурного перепада в пределах среды или искусственным, вызванным каким-либо внешним возбуждением, например, работой вентилятора.

3. Тепловое излучение – перенос тепла в газообразной среде или пустоте (вакууме) в виде электромагнитных волн. При взаимном облучении

двух поверхностей происходит двойной процесс преобразования тепловой энергии. Вначале на поверхности излучающего тела происходит преобразование тепловой энергии в лучистую, а затем лучистой в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистое тепло.

Процессы передачи тепла  в зданиях и их ограждающих  конструкциях

связаны со всеми тремя  видами теплопередачи. При этом в  воздушной среде

у поверхности ограждений, в воздушных прослойках и пустотах преобладает

теплообмен конвекцией и  излучением. В твердых материалах конструкций

основным видом передачи тепла является теплопроводность.

Теплозащитные (теплоизоляционные) материалы и их основные

характеристики.

Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой защиты конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплозащитных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность.

Применение теплозащитных  материалов в строительстве позволяет  снизить массу конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). Теплозащитные материалы существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплозащиты строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания.

Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплозащитных материалов. Свойства теплозащитных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами. Важнейшей технической характеристикой теплозащитных материалов является теплопроводность.

На величину теплопроводности теплозащитных материалов оказывают

влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д. Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность.

Пористость определяет содержание пор в материале и выражается процентным соотношением объема пор к общему объему материала. Для строительных материалов она изменяется от нуля до 90 %. У материалов типа пенополистирола она может быть еще выше.

Плотность - отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3).

Прочность на сжатие - это величина нагрузки (кПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.

Сжимаемость - способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 кПа.

Паропроницаемость — свойство материалов ограждающей конструкции пропускать влагу под действием разности парциальных давлений водяного пара на ее наружной и внутренней поверхностях.

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплозащитных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала.

Для снижения водопоглощения ведущие производители теплозащитных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

Влажность – содержание в материале химически свободной воды. С повышением влажности теплозащитных материалов повышается их теплопроводность.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции.

Воздухопроницаемость. Теплозащитные свойства тем выше, чем ниже

воздухопроницаемость теплозащитного материала.

Огнестойкость - способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств.

Теплоемкость – способность материала поглощать тепло при повышении температуры. Количественно теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью с, равной количеству тепла в Дж, необходимому для повышения температуры 1 кг материала на 1 °С, и имеющей размерность Дж/(кг×°С). Величина с зависит от степени влажности материала: при увеличении влажности, теплоемкость увеличивается.

Термическое сопротивление - важнейшая характеристика качества наружных ограждающих конструкции, связанная с теплопроводностью материалов. От нее зависит толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.

Теплозащита ограждающих  конструкций.

К строительным ограждающим  конструкциям относят стены, кровлю, окна – все то, что ограждает нас от перепадов температур, влаги, ветра и т.д. Устройство хорошей теплозащиты позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на отопление и обогрев здания площадью около 200м2 , затратив 15кВт вместо 30кВт, что в настоящее время особенно важно из – за нехватки и дороговизны энергии.

Итак, мы выяснили, что уменьшить затраты на отопление можно изменив конструкцию стены. Так какой же она должна быть?

Теплозащитные свойства ограждающей  конструкции зависят от ее толщины и коэффициента теплопроводности материала, из которого она построена. Если стена состоит из нескольких слоев (например, кирпич – утеплитель – кирпич), то ее термическое сопротивление будет складываться из коэффициентов теплопроводности. Однослойные кирпичные или шлакобетонные стены толщиной 500-650 мм обеспечивают уровень теплозащиты, как выяснилось, приблизительно в три раза меньше требуемой. Высокими характеристиками, соответствующими современным требованиям, обладают трехслойные ограждения, где между наружными и внутренними стенами, соединенными гибкими связями в виде защищенных от коррозии арматурных или стеклопластиковых стержней или каркасов, уложенные в горизонтальные швы кладки, помещен слой теплозащитного материала.

Если материал стенок, обеспечивающих прочность конструкции, вопросов не вызывает и достаточно традиционен (кирпич, стеновые панели, шлакоблоки). То материал, идущий на утепление, весьма разнообразен как по виду (маты, плиты, рулоны) так и по названиям, изготовителю и цене. Мягкий пористый утеплитель из минеральной ваты или стекловолокна удобен при заполнении полостей сложной конфигурации, а твердые утеплители, в виде плит определенных размеров (пенопласт, пеноизол, пенополиуретан), более технологичны. Все подобные материалы не горючи, пожаробезопасны, высокогигиеничны. Различаются пористые теплоизоляционные материалы и по назначению: одни больше подходят для утепления трубопроводов и резервуаров в промышленном строительстве.     Другие - для внутренних перегородок здания или изготовленные с элементами парозащиты для использования в вентилируемых фасадах. Помимо того, что подобные материалы хорошо сохраняют нужную температуру внутри помещений, они являются отличным звукоизолятором, повышая комфортность и качество жилья. Что касается коэффициента теплопроводности, то он у всех материалов подобного рода аналогичен. Необходимо лишь заметить, что коэффициенты теплопроводности пористых минеральных утеплителей, даны для их сухого состояния и при эксплуатации в районах средней полосы при естественной влажности их значение необходимо увеличивать примерно в полтора раза.

В помещении, где колебания  температуры нечасты и невелики (жилой дом), утеплитель располагают ближе к наружной поверхности, защищая его от атмосферной влаги пленками, а от осадков - сайдингом, вагонкой или

другими покрытиями, обеспечивающими  защиту стены. Стены здания, используемого от случая к случаю (мастерские, подсобные помещения, бани) для уменьшения количества тепла и времени, затрачиваемого на его обогрев, требует иного расположения утеплителя – как можно ближе к внутренней стороне. В этом случае уменьшается количество энергии, идущей на прогрев основного массива стены, материала который потребляет тепла в 15 - 20 раз больше, чем тонкий слой утеплителя. В случае подобной конструкции следует обязательно предусмотреть хорошую внутреннюю пароизоляцию утеплителя, так как влажность внутри помещения всегда выше, чем снаружи. В любом случае во всех помещениях здания необходимо предусмотреть вентиляцию, обеспечивающую достаточный воздухообмен в объемах не меньших, чем требуют санитарные нормы.

Однако многослойным ограждающим  конструкциям присущи и некоторые недостатки, снижающие их эффективность. Поэтому, применение многослойных конструкций в строительстве целесообразно именно при реконструкции существующих зданий и сооружений, не отвечающих возросшим требованиям теплотехнических норм.

И тем не менее для многослойных ограждающих конструкций характерна большая трудоемкость возведения и малая воздухопроницаемость, теплотехническая неоднородность и, наконец, возможность конденсации влаги между разнородными слоями такой стены - все это серьезный недостаток многослойных композиций. Теплотехническая однородность однослойных ограждений в 1.3-1.5 раз больше, чем в многослойных.

Кроме того, проблема долговечности  различных типов утеплителей  в

многослойных ограждающих  конструкциях недостаточно изучена. Поэтому современное капитальное строительство развивается именно по пути возведения не многослойных, а однослойных ограждающих конструкций.

Из современных строительных материалов, имеющих высокие показатели теплосопротивления, малый объемный вес и, поэтому являющихся оптимальным материалом для возведения теплоэффективных однослойных ограждающих конструкций, можно отметить ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон) и бетоны на легких заполнителях (полистиролбетон,

вермикулитобетон). Для этих материалов характерно, что при средней плотности 600кг/м3 коэффициент теплопроводности в среднем составляет 0,14 – 0,145 Вт/ (м*Со), что позволяет создавать ограждающие конструкции,

обеспечивающие требуемое теплосопротивление при умеренной толщине наружных стен.

Итак, рассмотрев основные виды энергосберегающих материалов, применяемых в современном строительстве, можно выделить наиболее целесообразную область применения этих видов. При реконструкции существующих зданий, несмотря на значительные трудозатраты, наиболее перспективным представляется использование утеплителей на основе пенополистирола и волокнистых минеральных плит. Однако при капитальном строительстве, либо при сложных реконструкциях зданий (например надстройка дополнительного этажа, устройство мансарды и т.д.), целесообразно применение однослойных ограждающих конструкций на основе теплоэффективных строительных материалов (пенобетон, газобетон, полистиролбетон).

Коэффициент теплопроводности различных материалов

Материал	Плотность, кг/м3	Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/м °С
Кладка из глиняного кирпича  на цементно-песчаном растворе	1800	0,55
Железобетон	2500	1,69
Древесина	500	0,09
Плиты из минеральной ваты	40-110	0,038-0,047
Полистеролбетон	150-600	0,055-0,0145
Неавтоклавный пенобетон	300-1200	0,08-0,38