Теплопроводность строительных материалов¶

Теплопроводность строительных материалов — способность материалов ограждающих конструкций передавать тепловую энергию от более нагретой поверхности к менее нагретой. Количественно характеризуется коэффициентом теплопроводности λ (Вт/(м·К)), равным количеству теплоты, проходящему за единицу времени через слой материала единичной толщины при разности температур в 1 К на противоположных поверхностях. Наряду с плотностью, прочностью и морозостойкостью этот показатель относится к ключевым теплотехническим характеристикам, определяющим сопротивление теплопередаче стен, перекрытий и покрытий.

¶Физическая природа

В строительных материалах теплота переносится тремя механизмами:

• теплопроводностью твёрдого скелета — за счёт колебаний атомов и молекул;
• конвекцией — перемещением воздуха или жидкости в порах и пустотах;
• излучением — переносом энергии между стенками крупных пор.

У плотных материалов (металлы, бетон, стекло) преобладает первый механизм, у пористых (минеральная вата, пенопласты) — второй и третий. Поэтому главный фактор, снижающий λ, — наличие замкнутых мелких пор, заполненных воздухом, теплопроводность которого (около 0,026 Вт/(м·К)) существенно ниже, чем у твёрдой фазы.

¶Факторы, влияющие на коэффициент теплопроводности

Влажность — наиболее критичный эксплуатационный фактор: увлажнение кирпичной кладки или утеплителя на несколько процентов может увеличить теплопотери конструкции в 1,5–2 раза. Поэтому в расчётах используют значения λ при условиях эксплуатации А (сухих) и Б (влажных) согласно СП 50.13330.

¶Классификация по теплопроводности

Материалы условно делят на группы:

• теплоизоляционные — λ ≤ 0,15 Вт/(м·К): минеральная и стеклянная вата, пенополистирол, пенополиуретан, пеностекло, ячеистые бетоны;
• конструкционно-теплоизоляционные — λ ≈ 0,15–0,35 Вт/(м·К): керамзитобетон, арболит, газобетон средней плотности;
• конструкционные — λ > 0,35 Вт/(м·К): тяжёлый бетон, кирпич полнотелый, сталь, стекло.

Ориентировочные значения λ: минеральная вата — 0,038–0,045; пенополистирол — 0,035–0,041; керамзит — 0,10–0,18; газобетон — 0,09–0,20; керамический кирпич — 0,5–0,8; тяжёлый бетон — 1,3–1,8; сталь — около 58 Вт/(м·К).

¶Методы определения

Лабораторные измерения выполняют двумя основными способами:

1. Стационарный метод — по ГОСТ 7076, на приборе с двумя плитами, между которыми размещают образец; регистрируют плотность теплового потока при заданном перепаде температур.
2. Нестационарный (импульсный) метод — по ГОСТ 30256, с использованием зонда-нагревателя, что позволяет испытывать образцы быстрее и в полевых условиях.

Для расчётов применяют также эмпирические формулы, связывающие λ с плотностью материала (например, формула В. П. Некрасова для бетонов).

¶Значение в проектировании

Теплопроводность определяет требуемую толщину ограждающих конструкций. Согласно СП 50.13330 «Тепловая защита зданий», нормируемое сопротивление теплопередаче стен в климатических зонах России достигает 3–4 м²·К/Вт, что вынуждает применять многослойные конструкции: несущий слой из плотного материала и наружный теплоизоляционный слой. Однослойные стены из традиционного кирпича таким требованиям, как правило, не соответствуют.

Помимо энергетики, показатель учитывают при расчёте температурных деформаций, тепловых мостов, влажностного режима конструкций и риска образования конденсата на внутренних поверхностях.

¶Пути снижения теплопроводности

Основные направления повышения теплотехнической эффективности:

• увеличение пористости без потери прочности (ячеистые бетоны, вспененные полимеры);
• применение вакуумных и газонаполненных изоляционных панелей;
• создание многослойных и комбинированных конструкций;
• защита утеплителя от увлажнения пароизоляцией и вентилируемыми зазорами.