Энергия в зданиях: 2.2.3 Изоляционные материалы и их свойства — OpenLearn

Тепловой поток через стены, крыши и полы можно уменьшить, используя один или несколько изоляционных материалов. В этих проводимость является основным механизмом теплопередачи.

Чтобы понять, какая толщина изоляции необходима для достижения заданных тепловых характеристик здания, необходимо рассмотреть тепловой поток более детально.

Как описано выше, тепловая энергия будет течь через любое вещество, температура с двух сторон которого различна, и скорость этого потока энергии зависит от:

разница температур, T_in – T_вне, между двумя сторонами (часто пишется как ΔT)
общая площадь, доступная для потока
теплоизоляционные свойства материала – его толщина и теплопроводность.

Теплопроводность обозначается символом ‘λ‘ (греческое лямбда), хотя вы также найдете символ ‘k‘ использовал. В этом курсе мы использовали λ. Его единицы требуют небольшого пояснения. Обычно его выражают в единицах мощности теплового потока в ваттах, который проходит через кубический метр материала с разницей температур на нем в один градус (Кельвин или Цельсий) (см. рис. 6):

λ = тепловой поток на квадратный метр площади, деленный на разницу температур на метр толщины.

Тепловой поток на квадратный метр имеет единицы Вт/м 2 . Перепад температур на метр толщины имеет единицы К/м. Тепловой поток на квадратный метр, деленный на разницу температур на метр, имеет следующие единицы измерения:

Теплопроводность, λ, таким образом, имеет единицы измерения ватт на метр-кельвин, Вт/м·К или Вт·м-1·К-1.

Чем ниже проводимость, тем лучше уровень изоляции.

На этой диаграмме показан куб из неуказанного строительного материала. Видно, что он смотрит немного вниз на верхний угол. Три отмеченные стрелки указывают, что каждая сторона имеет длину один метр. Стрелка на верхней грани помечена как «Разница температур в 1 К». Параллельно этой стрелке, но пронизывающей куб, идет более широкая красная стрелка, указывающая влево и помеченная как «тепловой поток, ватты».

В таблице 3 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых распространенных строительных материалов вместе с их плотностью; как правило, чем выше плотность, тем выше теплопроводность.

Металлы обладают очень высокой теплопроводностью и могут передавать большое количество тепла при небольшой разнице температур. Металлические оконные рамы, перемычки над окнами и крепления, используемые для изоляции, могут передавать значительное количество тепла, даже если они имеют небольшую общую площадь. Их часто называют «тепловыми мостами» или «мостиками холода». Оконное стекло имеет высокую теплопроводность, поэтому использование более толстого стекла почти не повлияет на их общий вид. U-ценность. Конструкционные строительные материалы, такие как кирпич и бетон, имеют более низкую теплопроводность, но потенциальные потери тепла все еще значительны из-за большой площади поверхности стен и крыш.

Изоляционные материалы используют тот факт, что неподвижный воздух или другие газы с достаточно большой молекулярной массой являются хорошими теплоизоляторами. Наиболее практичные формы изоляции основаны на использовании очень маленьких карманов этих газов. Существует четыре вида коммерческого изоляционного материала:

различные марки газобетона, содержащие мелкие пузырьки воздуха
пеностекло, содержащее мелкие пузырьки воздуха
различные формы шерсти, состоящие из волокон, между которыми находится воздух
пенопласты, содержащие маленькие пузырьки газа.

Панели с вакуумной изоляцией (ВИП) из пенопласта с «пузырьками» вакуума обладают значительно лучшими эксплуатационными характеристиками. Они становятся все более доступными, но очень дорогими. Их применение для холодильников описано далее в разделе 4.1.2.

Газобетон, теплотехнические свойства которого приведены в табл. 3, физически не так прочен, как его плотный аналог. Существует компромисс между прочностью на сжатие и теплоизоляционными характеристиками. В практическом строительстве этот материал можно использовать для формирования внутреннего листа стены полости, дополняющей основную изоляцию, которая, вероятно, представляет собой некоторую форму минеральной ваты или пенопласта внутри полости. На рис. 7 показаны образцы этих широко используемых изоляционных материалов.

Рисунок 7 Примеры изоляционных материалов (слева направо: стекловолокно, целлюлозное волокно, плотная минеральная вата, пенополистирол, экструдированный полистирол и пенополиизоцианурат)

Это фотография, показывающая различные материалы. Каждый образец имеет площадь около 50 миллиметров и толщину 25 миллиметров. Слева кусок пушистой розовой стекловаты. Справа — куча коричневых гранул из целлюлозного волокна. Справа кусок коричневой плотной минеральной ваты. Справа кусок белого пенополистирола. Справа кусок светло-голубого экструдированного пенополистирола. Крайний справа кусок желтого пенополиизоцианурата с приклеенным сверху тонким листом алюминия.

Изоляционные материалы из шерсти и пенопласта очень легкие; их плотность обычно составляет всего 15–30 кг м –3 . В Таблице 4 ниже приведены некоторые значения проводимости образцов для них, взятые из литературы производителей.

Овечья шерсть, конечно, использовалась в одежде в качестве изоляционного материала для людей на протяжении тысячелетий. Только сейчас он считается достаточно дешевым, чтобы его можно было использовать для утепления чердаков зданий.

Изоляция из целлюлозного волокна производится из измельченной переработанной газеты, обработанной минеральным антипиреном. Его можно задувать в полости стен или чердачные помещения с помощью специальной машины.

Наиболее распространенными формами изоляционного материала являются минеральная вата (часто называемая «каменной ватой» или «земляной ватой») и стекловата.

Современная промышленная минеральная вата является результатом открытий, сделанных на Гавайях и посвященных воздействию перегретого пара на расплавленную породу во время извержений вулканов. В процессе производства подходящая порода плавится при температуре свыше 1500°C. Затем его вытягивают через небольшие отверстия по периметру центрифуги для получения длинных тонких волокон. Производство стекловолокна аналогично. Затем волокна покрывают пластиковой смолой и формируют изоляционные прокладки (квадратные плоские куски изоляции, а не рулоны).

Изоляционные материалы из пенопласта изготавливаются путем вдувания газа в расплавленный пластик. Пенополистирол — очень известный пример, широко используемый для упаковки; другие используемые пластмассы включают формальдегид мочевины, полиуретан, полиизоцианурат и фенольную смолу. Их пены имеют разные свойства. Пенополистирол, например, можно сделать чрезвычайно прочным и жестким. Он водостойкий и достаточно прочный, чтобы выдерживать вес транспортных средств, поэтому его можно использовать под фабричными полами. Он также может изготавливаться в виде блоков, которые можно быстро скрепить вместе для создания изолирующей опалубки, в которую можно заливать бетон (см. рис. 8).

Рисунок 8 Дом из полистирола. Несмотря на солидный вид, в этом доме, построенном в Милтон-Кинсе в 1986 году, использовался основной каркас из изоляционных блоков из полистирола, в который был залит бетон. Затем снаружи добавили кирпичную обшивку, а внутри оштукатурили.

Это фотография очень солидного на вид дома с двускатной крышей, построенного в южногерманском стиле.

Наилучшие теплоизоляционные характеристики достигаются полиуретановыми, полиизоциануратными и фенольными пенами, которые могут иметь две трети теплопроводности шерстяных материалов. Любой практический выбор изоляции должен учитывать такие факторы, как стоимость, простота в обращении, сопротивление сжатию, огнестойкость и водонепроницаемость.

Также ведутся серьезные споры об относительной экологичности различных материалов.

Встречающееся в природе каменное волокно, асбест, в настоящее время запрещено из-за связанных с ним проблем со здоровьем (волокна тонкие и ломкие и имеют тенденцию распадаться на мелкую пыль, которую можно вдыхать). Минеральная вата и стекловата современного производства безопаснее асбеста, хотя при их использовании в ограниченном пространстве рекомендуется носить маску для лица. Для их изготовления нужны высокие температуры и много энергии.

В пенопластах используются химические вещества на масляной основе, и, будучи пластиком, они легко воспламеняются и при горении могут выделять ядовитый дым. До 1990-х годов газы, используемые для «выдувания» этих пеноматериалов, создающие пузырьки, представляли собой хлорфторуглероды (ХФУ). Однако было обнаружено, что они повреждают озоновый слой в верхних слоях атмосферы. Они также являются очень сильными парниковыми газами, способствуя глобальному потеплению. В результате этих экологических проблем они были заменены другими газами. Пентан широко используется, но это увеличивает потенциальную воспламеняемость, и при его использовании необходимо соблюдать соответствующие меры предосторожности. Совсем недавно некоторые производители изоляционных материалов представили низковоспламеняющиеся гидрофторолефины (ГФО). Они потенциально как «безопасны для озона», так и «безопасны для парниковых газов».

Воздействие изоляционных материалов на окружающую среду также может быть уменьшено за счет вторичной переработки. Переработанные материалы могут использоваться в стекловолокне и некоторых пенопластах, а переработанная газета является основным ингредиентом изоляции из целлюлозного волокна. Как правило, на крыше, где изначально не было изоляции, энергия, используемая при производстве изоляции, будет сэкономлена в течение года.

Теплопроводность строительных материалов, что это такое, таблица

Каждый материал, используемый в сборке оболочки, обладает фундаментальными физическими свойствами, которые определяют их энергетические характеристики, такими как проводимость, сопротивление и тепловая масса. Понимание этих неотъемлемых свойств поможет вам выбрать правильные материалы для управления тепловыми потоками.

Теплопроводность (к)

Способность материала проводить тепло.

Каждый материал имеет характерную скорость, с которой тепло будет проходить через него. Чем быстрее тепло проходит через материал, тем лучше он проводит тепло. Проводимость (к) это свойство материала, данное для однородных твердых тел в стационарных условиях.

Он используется в следующем уравнении:

Императорский – БТЕ*дюйм/ч фут ºF: В имперской системе проводимость — это количество британских тепловых единиц в час (БТЕ/ч), которые проходят через 1 квадратный фут (фут 2 ) материала толщиной 1 дюйм, когда разница температур в этом материале составляет 1ºF (ниже условия установившегося теплового потока).

SI – Вт/м ºC или Вт/м·К: Эквивалент Международной системы (СИ) — это количество ватт, которое проходит через 1 квадратный метр (м 2 ) материала толщиной 1 м, когда разница температур на этом материале составляет 1 К (равный 1ºC) при Условия устойчивого теплового потока.

Теплопроводность (С)

Электропроводность на единицу площади для заданной толщины. Используется для стандартных строительных материалов.

В основных строительных материалах тепловой поток обычно измеряется проводимость (С), а не проводимость. Электропроводность — это удельная проводимость материала на единицу площади для толщины объекта (в единицах Вт/м²К для метрических единиц и БТЕ/ч·фут 2 •°F для британских).

Проводимость является свойством объекта и зависит как от материала, так и от его толщины. Многие твердые строительные материалы, такие как обычный кирпич, деревянный сайдинг, изоляция из войлока или плит, а также гипсокартон, широко доступны в стандартной толщине и составе. Для таких распространенных материалов полезно знать скорость теплового потока для этой стандартной толщины, а не скорость на дюйм.

U-фактор (U)

Общая проводимость строительного элемента. Используется для многоуровневых строительных конструкций.

В многослойных сборках проводимости объединяются в одно число, называемое «U-фактор» (или иногда «U-значение»).

U — общий коэффициент теплопередачи, выраженный в единицах БТЕ/ч фут 2 ºF (в единицах СИ, Вт/м 2 К). Это та же единица измерения, что и проводимость, потому что это мера одного и того же: проводимость используется для определенного материала, U-фактор используется для конкретной сборки. Меньшие U-факторы означают меньшую проводимость, что означает лучшую изоляцию.

Например, общий U-фактор окна включает в себя теплопроводность оконных стекол, воздуха внутри, материала обрамления и любых других материалов различной толщины и расположения. За исключением особых случаев, проводимость материалов не может быть добавлена для определения U-фактора сборки.

U-коэффициент представляет собой общий коэффициент теплопередачи и включает влияние всех элементов в сборке и всех явных способов теплопередачи (теплопроводность, конвекция и излучение), но не скрытую теплопередачу (связанную с влажностью).

Термин U-фактор следует использовать только в том случае, если поток тепла идет от воздуха снаружи оболочки через сборку оболочки к воздуху внутри. Например, его нельзя использовать на стенах подвала.

Термическое сопротивление (значение R = 1/U)

Способность материала сопротивляться тепловому потоку.

Обозначен как R (значение R), тепловое сопротивление показывает, насколько эффективен любой материал в качестве изолятора.

Величина, обратная теплопроводности, R измеряется в часах, необходимых для того, чтобы 1 БТЕ прошла через 1 фут 2 материала заданной толщины при разнице температур в 1ºF. В имперской системе единицы фут 2 •°F•ч/БТЕ. единицы СИ м²К/Вт.

Значения термического сопротивления иногда заносят в таблицу как для единичных толщин, так и для образца материала с известной толщиной. Например, сопротивление сосны может быть указано как 1.0 фут 2 •°F•ч/БТЕ на дюйм, или значения могут быть представлены в таблице для сосновой стойки 2×6 как 5.5 фут 2 •°F•ч/БТЕ. Для однородного материала, такого как дерево, удвоение толщины удвоит значение R. Значения R обычно не указываются для сборок материалов. U-факторы используются для сборок.

Изоляция, препятствующая тепловому потоку через ограждающие конструкции здания, часто измеряется ее R-значением. Более высокое значение R указывает на лучшие изоляционные характеристики. Просматривая листы спецификаций, убедитесь, что вы читаете значение R в правильных единицах, поскольку единицы не всегда указаны явно.

Для получения дополнительной информации о проектировании с изоляцией, включая таблицу общих значений R, тепловых мостов и расчет общих значений R для сборок, см. страницу «Изоляция».

Использование U-факторов и R-значений на практике

Разнообразие терминов, используемых до сих пор для выражения тепловых свойств, может сбить с толку. При работе со сложными многоуровневыми строительными конструкциями полезно объединять тепловые свойства в одно общее число для определения критериев проектирования ограждающих конструкций.

Для общей оболочки здания это часто выражается как U-фактор. Тем не менее, окна часто выражаются с помощью U-фактора, а стены часто выражаются с помощью R-значений. Строгого правила нет.

Расчет общего U-фактора начинается с добавления сопротивления. U-факторы рассчитываются для конкретного элемента (крыши, стены и т. д.) путем нахождения сопротивления каждой составной части, включая воздушные пленки и воздушные пространства, а затем суммирования этих сопротивлений для получения общего сопротивления. Коэффициент U является обратной величиной этой суммы (Σ) сопротивлений: U= 1/ Σ R.

Для получения дополнительной информации о том, как использовать R-значения и U-факторы для проектирования оболочки, см. страницу, посвященную общему R-значению и тепловым мостам.

Термическая масса

Термическая масса представляет собой сопротивление материала изменению температуры при добавлении или удалении тепла и является ключевым фактором в динамическом взаимодействии теплопередачи внутри здания. Необходимо понимать четыре фактора: плотность, удельная теплоемкость, теплоемкость и тепловое отставание.

Плотность
Плотные материалы обычно сохраняют больше тепла.

Плотность – это масса материала в единице объема. В имперской системе плотность дается как фунт/фут 3 ; в системе СИ она выражается в кг/м 3 . Для фиксированного объема материала большая плотность позволит хранить больше тепла.

Удельная теплоемкость
Высокая удельная теплоемкость требует много энергии для изменения температуры.

Удельная теплоемкость – это мера количества тепла, необходимого для повышения температуры данной массы материала на 1º. В имперской системе это выражается как БТЕ/фунт ºF; в системе СИ она выражается в кДж/кг К. Для повышения температуры материала с низкой удельной теплоемкостью требуется меньше энергии, чем у материала с высокой удельной теплоемкостью.

Например, для повышения температуры на один градус Цельсия одному грамму воды требуется одна калория тепловой энергии. Вода обладает высокой теплоемкостью и поэтому иногда используется в качестве тепловой массы в зданиях.

Теплоемкость

Дж/(г·К)

Теплоемкость (тепловая масса)
Плотность x удельная теплоемкость = сколько тепла может быть сохранено на единицу объема

Теплоемкость – это показатель способности материала накапливать тепло в единице объема. Чем больше теплоемкость материала, тем больше тепла он может сохранить в данном объеме на градус повышения температуры. Теплоемкость материала получается произведением плотности на удельную теплоемкость. Единицы: Дж/К.

Более высокая теплоемкость может (но не всегда) уменьшить поток тепла извне во внутреннюю среду за счет накопления тепла внутри материала. Тепло, попадающее в конструкцию стены в дневное время, например, может сохраняться внутри стены в течение нескольких часов, пока оно не выйдет обратно в прохладный ночной воздух — при соответствующих погодных условиях и достаточной теплоемкости.

Читайте также:

Обратный осмос | FDA

Тепловая задержка (временная задержка)
При высокой тепловой массе может потребоваться несколько часов, чтобы тепло перетекло с одной стороны оболочки на другую.

Это замедление потока тепла называется «термической задержкой» (или временной задержкой) и измеряется как разница во времени между пиковой температурой на внешней поверхности строительного элемента и пиковой температурой на внутренней поверхности. Некоторые материалы, такие как стекло, не имеют значительного теплового отставания. Но тепловая задержка может достигать восьми или девяти часов для конструкций с высокой тепловой массой, таких как стены из двойного кирпича или утрамбованные земляные стены.

Время отставания и замедление температуры за счет тепловой массы

Например, если солнце выходит из-за облаков и попадает на ограждающую конструкцию здания с высокой теплоемкостью в 10 часов утра, температура наружной поверхности быстро повышается. Однако может пройти несколько часов, прежде чем этот температурный «всплеск» будет виден на внутренней поверхности стены. Причина в том, что часть тепла накапливается в материале стены. Это тепло сохраняется в материале стены до тех пор, пока оно не поглотит столько, сколько может (насыщение). Затем тепло будет течь внутрь в зависимости от проводимости материала.

Одним из примеров крупномасштабного теплового отставания является тот факт, что самые жаркие месяцы в большинстве частей северного полушария — июль или август, хотя самое яркое солнце в году приходится на июнь.

Свойства остекления

Теплопередача и излучение от окна

В случае с прозрачными поверхностями нужно учитывать еще больше.

Теплопередача через окно включает все три режима теплопередачи; теплопроводность, конвекция и излучение. Преобладающий способ теплопередачи всегда меняется и зависит от времени, температуры окружающей среды и помещения, скорости наружного ветра, а также количества и угла солнечного излучения, падающего на окно. Изоляционные способности окон обычно измеряются их U-фактором; см. таблицу на странице «Свойства остекления». U-фактор для окна — это прежде всего метрика, используемая для расчета кондуктивной части теплопередачи через окно.

Поскольку окна («остекление») пропускают свет и излучение, существует множество свойств, которые необходимо учитывать для оптимизации их тепловых и визуальных характеристик. Например, упрощенная метрика, используемая для определения лучистой теплопередачи через окно, когда солнечная энергия попадает на окно, называется коэффициентом притока солнечного тепла (SHGC). SHGC представляет собой значение от 0 до 1.0 и является мерой того, насколько большая передача лучистого тепла будет происходить по отношению к незастекленному проему.