Теплопроводность

Теплопроводность – это скорость передачи тепла через вещество. Коэффициент теплопередачи материала (например, изоляции или бетона) или конструкции (например, стены или окна) выражается как U. коэффициент Теплоизоляция . конструкции обратна ее коэффициенту теплопередачи

U-значение

Хотя концепция U-значения (или U-фактора) является универсальной, U-значения могут выражаться в разных единицах. В большинстве стран значение U выражается в единицах СИ, в ваттах на квадратный метр- кельвин :

Вт/(м ²⋅K)

В Соединенных Штатах значение U выражается в британских тепловых единицах (БТЕ) на час-квадратный фут-градус Фаренгейта:

БТЕ/(ч⋅фут ²⋅°Ф)

В этой статье значения U выражаются в СИ, если не указано иное. Чтобы преобразовать СИ в общепринятые значения США, разделите на 5,678. ^[1]

Хорошо изолированные части здания имеют низкий коэффициент теплопередачи, тогда как плохо изолированные части здания имеют высокий коэффициент теплопередачи. Потери из-за теплового излучения , тепловой конвекции и теплопроводности учитываются при определении коэффициента теплопередачи. Хотя он имеет те же единицы измерения, что и коэффициент теплопередачи , коэффициент теплопередачи отличается тем, что коэффициент теплопередачи используется исключительно для описания теплопередачи в жидкостях, тогда как коэффициент теплопередачи используется для упрощения уравнения, которое имеет несколько различных форм теплового сопротивления.

Оно описывается уравнением:

Φ знак равно А × U × ( Т ₁ - Т ₂ )

где Φ — теплопередача в ваттах, U — коэффициент теплопередачи, T ₁ — температура на одной стороне конструкции, T ₂ — температура на другой стороне конструкции, а A — площадь в квадратных метрах.

Коэффициенты теплопередачи большинства стен и крыш можно рассчитать с использованием ISO 6946, за исключением случаев, когда изоляция перекрывается металлическими перемычками. В этом случае коэффициент теплопередачи можно рассчитать с помощью ISO 10211. Для большинства первых этажей его можно рассчитать с использованием ISO 13370. Для большинства окон коэффициент теплопроводности можно рассчитать с использованием ISO 10077 или ISO 15099. ISO 9869 описывает, как экспериментально измерить коэффициент теплопередачи конструкции. Выбор материалов и качество монтажа оказывают решающее влияние на результаты утепления окон . Фактически слабыми местами оконной изоляции являются рама и двойное уплотнение оконной системы.

Типичные значения теплопередачи для обычных строительных конструкций следующие: ^{[ нужна ссылка ]}

Одинарное остекление : 5,7 Вт/(м ²⋅K)
Одинарный стеклопакет с учетом рам: 4,5 Вт/(м ²⋅K)
Окна с двойным остеклением , с учетом рам: 3,3 Вт/(м ²⋅K)
Окна с двойным остеклением с современными покрытиями: 2,2 Вт/(м ²⋅K)
Окна с двойным остеклением с современными покрытиями и рамами: 1,2 Вт/(м ²⋅K)
Окна с тройным остеклением , с учетом рам: 1,8 Вт/(м ²⋅K)
Окна с тройным остеклением, с современными покрытиями и рамами: 0,8 Вт/(м ²⋅K) ^[2]
Хорошо изолированные крыши : 0,10 Вт/(м ²⋅K)
Плохо изолированные крыши: 1,0 Вт/(м ²⋅K)
Хорошо изолированные стены: 0,15 Вт/(м) ²⋅K)
Плохо изолированные стены: 2 Вт/(м ²⋅K)
Хорошо изолированные полы: 0,2 Вт/(м ²⋅K)
Плохо изолированные полы: 1,0 Вт/(м ²⋅K)

На практике на коэффициент теплопередачи сильно влияет качество изготовления, и если изоляция установлена плохо, коэффициент теплопередачи может быть значительно выше, чем если изоляция установлена хорошо. ^[3]

Расчет коэффициента теплопередачи

При расчете коэффициента теплопередачи полезно учитывать конструкцию здания с точки зрения его различных слоев. Например, полая стена может быть описана, как в следующей таблице:

Толщина	Материал	Проводимость (λ)	Изоляция = толщина/проводимость
—	Внешняя поверхность	—	0.04 K⋅m ²/В
0,10 м (0,33 фута)	Глиняный кирпич	0,77 Вт/(м⋅К)	0.13 K⋅m ²/В
0,05 м (0,16 футов)	Стекловата	0,04 Вт/(м⋅К)	1.25 K⋅m ²/В
0,10 м (0,33 фута)	Бетонные блоки	1,13 Вт/(м⋅К)	0.09 K⋅m ²/В
—	Внутренняя поверхность	—	0.13 K⋅m ²/В

В этом примере общая изоляция составляет 1,64 К⋅м. ²/В. Коэффициент теплопередачи конструкции является обратной величиной общей теплоизоляции. Таким образом, коэффициент теплопередачи этой структуры составляет 0,61 Вт/(м2). ²⋅K).

(Обратите внимание, что этот пример упрощен, поскольку не учитывает металлические соединители, воздушные зазоры, прерывающие изоляцию, или растворные швы между кирпичами и бетонными блоками.)

можно учесть растворные швы При расчете теплопроводности стены , как показано в следующей таблице. Поскольку швы раствора пропускают тепло легче, чем легкие бетонные блоки, говорят, что раствор «перекрывает» легкие бетонные блоки.

Толщина	Материал	Проводимость (λ)	Изоляция = толщина/проводимость
—	Внешняя поверхность	—	0.04 K⋅m ²/В
0,10 м (0,33 фута)	Глиняный кирпич	0,77 Вт/(м⋅К)	0.13 K⋅m ²/В
0,05 м (0,16 футов)	Стекловата	0,04 Вт/(м⋅К)	1.25 K⋅m ²/В
0,10 м (0,33 фута)	Легкие бетонные блоки	0,30 Вт/(м⋅К)	0.33 K⋅m ²/В
(Бридж, 7%)	Раствор между бетонными блоками	0,88 Вт/(м⋅К)	0.11 K⋅m ²/В
0,01 м (0,033 фута)	Штукатурка	0,57 Вт/(м⋅К)	0.02 K⋅m ²/В
—	Внутренняя поверхность	—	0.13 K⋅m ²/В

Средняя по теплоизоляция «мостикового» слоя зависит от доли площади, занимаемой раствором , сравнению с долей площади, занимаемой легкими бетонными блоками. Для расчета коэффициента теплопередачи при наличии «перемычек» растворных швов необходимо рассчитать две величины, известные как R _max и R _min . R _max можно рассматривать как полученную общую теплоизоляцию, если предположить, что боковой поток тепла отсутствует, а R _min можно рассматривать как полученную общую теплоизоляцию, если предположить, что сопротивление боковому потоку отсутствует. тепла.Значение U приведенной выше конструкции примерно равно 2/( R _max + R _min )Дополнительная информация о том, как бороться с «мостом», приведена в ISO 6946.

Измерение теплопроводности

Схема ISO и ASTM . системы измерения коэффициента теплопередачи, соответствующей требованиям

Хотя расчет коэффициента теплопередачи можно легко выполнить с помощью программного обеспечения, соответствующего стандарту ISO 6946, расчет коэффициента теплопередачи не полностью учитывает качество изготовления и не допускает случайной циркуляции воздуха между секциями, через них и вокруг них. изоляция. Чтобы полностью учесть влияние факторов, связанных с качеством изготовления, необходимо провести измерение коэффициента теплопередачи. ^[4]

ISO 9869 описывает, как измерить коэффициент теплопередачи крыши или стены с помощью датчика теплового потока . Эти измерители теплового потока обычно состоят из термобатарей, которые выдают электрический сигнал, прямо пропорциональный тепловому потоку. Обычно они могут иметь диаметр около 100 мм (3,9 дюйма) и толщину около 5 мм (0,20 дюйма), и их необходимо прочно прикрепить к испытуемой крыше или стене, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт. Когда тепловой поток контролируется в течение достаточно длительного времени, коэффициент теплопередачи можно рассчитать, разделив средний тепловой поток на среднюю разницу температур внутри и снаружи здания. Для большинства конструкций стен и крыш измеритель теплового потока должен непрерывно контролировать тепловые потоки (а также внутреннюю и внешнюю температуру) в течение 72 часов, чтобы соответствовать стандартам ISO 9869.

Как правило, измерения теплопередачи наиболее точны, если:

Разница температур внутри и снаружи здания составляет не менее 5 °C (9,0 °F).
Погода скорее облачная, чем солнечная (это облегчает точное измерение температуры).
имеется хороший тепловой контакт . Между измерителем теплового потока и проверяемой стеной или крышей
Мониторинг теплового потока и температуры осуществляется в течение не менее 72 часов.
Измеряются различные точки на строительном элементе или используется термографическая камера , чтобы гарантировать однородность строительного элемента.

Когда конвекционные потоки играют роль в передаче тепла по компонентам здания, коэффициент теплопередачи увеличивается по мере увеличения разницы температур. Например, при внутренней температуре 20 °C (68 °F) и внешней температуре -20 °C (-4 °F) оптимальный зазор между стеклами в окне с двойным остеклением будет меньше, чем оптимальный зазор для внешняя температура 0 °C (32 °F).

Собственный коэффициент теплопередачи материалов также может меняться в зависимости от температуры — задействованные механизмы сложны, и коэффициент пропускания может увеличиваться или уменьшаться по мере повышения температуры. ^[5]

Ссылки

^ Холладей, Мартин (22 июля 2010 г.). «Метрическая и Имперская системы» . Консультант по экологическому строительству . Проверено 25 марта 2019 г.
^ Результаты термических испытаний Института пассивного дома для окна с тройным остеклением Rehau Geneo 'PHZ' [1]
^ Полевые исследования тепловых характеристик (значений U) строительных элементов в исходном состоянии [2]
^ «Примечания по применению greenTEG в области строительной физики» (PDF) .
^ Теплопроводность некоторых распространенных материалов и газов.

[1] Холладей, Мартин (22 июля 2010 г.). «Метрическая и Имперская системы» . Консультант по экологическому строительству . Проверено 25 марта 2019 г.

[2] Результаты термических испытаний Института пассивного дома для окна с тройным остеклением Rehau Geneo 'PHZ' [1]

[3] Полевые исследования тепловых характеристик (значений U) строительных элементов в исходном состоянии [2]

[greenTEG_Application_note_Building_Physics-4] «Примечания по применению greenTEG в области строительной физики» (PDF) .

[5] Теплопроводность некоторых распространенных материалов и газов.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]