Tepelná vodivost stavebních materiálů: tabulka součinitelů a jejich význam pro výpočty.
V moderním světě je důležitým aspektem soukromého domu jeho energetická účinnost. Tedy schopnost vynaložit minimální množství energie na udržení příjemného klimatu v domě. Abyste utratili méně energie, musíte se postarat o snížení energetických ztrát.
Tepelná vodivost materiálů – to je schopnost materiálu zadržovat teplo v chladném počasí a chladit v létě.
Tepelná kapacita – množství tepla absorbovaného (uvolňovaného) tělesem v procesu zahřívání (chlazení) na 1 kelvin.
Hustota – poměr hmotnosti tělesa k objemu, který toto těleso zabírá.
Tepelná vodivost stavebních materiálů
Návrh technologií energeticky účinných domů by měli provádět odborníci, ale v reálném životě může být všechno jinak. Stává se, že majitelé domů jsou z mnoha důvodů nuceni samostatně vybírat materiály pro stavbu. Budou muset také vypočítat tepelné parametry, na základě kterých se provede zateplení a izolace. Proto je potřeba alespoň minimálně rozumět technice vytápění budov a jejím základním pojmům, jako je součinitel tepelné vodivosti, v jakých jednotkách se měří a jak se počítá. Znalost těchto „základů“ vám pomůže správně izolovat váš domov a ekonomicky ho vytápět.
Co je tepelná vodivost
Zjednodušeně řečeno, tepelná vodivost je přenos tepla z teplejšího tělesa na méně horké. Aniž bychom zacházeli do detailů, všechny fyzikální materiály a látky mohou přenášet tepelnou energii.
Každý den, i na té nejprimitivnější každodenní úrovni, se potýkáme s tepelnou vodivostí, která se u každého materiálu projevuje jinak a ve velmi odlišné míře. Pokud například mícháte vroucí vodu kovovou lžičkou, můžete se velmi rychle spálit, protože lžíce se zahřeje téměř okamžitě. Pokud použijete dřevěnou špachtli, bude se zahřívat velmi pomalu. Tento příklad jasně ukazuje rozdíl v tepelné vodivosti mezi kovem a dřevem – u kovu je několikanásobně vyšší.
ZAJÍMAVOST: Co je to konkrétní kontakt: vlastnosti, složení a rozsah použití
Součinitel tepelné vodivosti
Pro hodnocení tepelné vodivosti jakéhokoli materiálu se používá součinitel tepelné vodivosti (λ), který se měří ve W/(m×℃) nebo W/(m×K). Tento koeficient udává množství tepla, které může být vedeno jakýmkoli materiálem, bez ohledu na jeho velikost, za jednotku času na určitou vzdálenost. Pokud vidíme, že nějaký materiál má vysokou hodnotu koeficientu, pak velmi dobře vede teplo a lze jej použít jako topidla, radiátory a konvektory. Například kovové radiátory vytápění v místnostech pracují velmi efektivně a dokonale přenášejí teplo z chladicí kapaliny do vnitřních vzduchových hmot v místnosti.
Pokud mluvíme o materiálech používaných při stavbě stěn, příček, střech, pak je vysoká tepelná vodivost nežádoucím jevem. Při vysokém součiniteli ztrácí budova příliš mnoho tepla, pro jeho udržení bude nutné v interiéru stavět spíše tlusté konstrukce. A to s sebou nese další finanční náklady.
Součinitel tepelné vodivosti závisí na teplotě. Z tohoto důvodu referenční literatura uvádí několik hodnot koeficientů, které se mění s rostoucí teplotou. Provozní podmínky také ovlivňují tepelnou vodivost. Především mluvíme o vlhkosti, protože s rostoucím procentem vlhkosti se zvyšuje i součinitel tepelné vodivosti. Proto při provádění tohoto druhu výpočtů potřebujete znát skutečné klimatické podmínky, ve kterých bude budova postavena.
Odolnost proti přenosu tepla
Součinitel tepelné vodivosti je důležitou charakteristikou každého materiálu. Tato hodnota však přesně nepopisuje tepelnou vodivost konstrukce, protože nezohledňuje vlastnosti její struktury. Proto je vhodnější počítat odpor prostupu tepla, který je v podstatě převrácenou hodnotou součinitele tepelné vodivosti. Na rozdíl od posledně jmenovaného však výpočet bere v úvahu tloušťku materiálu a další důležité konstrukční prvky.
Neméně důležitým úkolem je predikce tepelných ztrát, bez které nelze správně naplánovat otopnou soustavu a vytvořit ideální tepelnou izolaci. Takové výpočty mohou být nezbytné při výběru optimálního modelu kotle, počtu požadovaných radiátorů a jejich správného umístění.
Pro stanovení tepelných ztrát jakoukoliv konstrukcí potřebujete znát odpor, který se vypočítá pomocí teplotního rozdílu a množství tepla ztraceného z jednoho metru čtverečního obestavné konstrukce. Pokud tedy známe plochu konstrukce a její tepelný odpor a také víme, pro jaké klimatické podmínky se výpočet provádí, můžeme přesně určit tepelné ztráty. Pro výpočet tepelných ztrát v domácnosti existuje dobrá kalkulačka (dokáže spočítat i to, kolik peněz bude stát vytápění, samozřejmě).
Takové výpočty v budově se provádějí pro všechny obálky budovy, které interagují s prouděním studeného vzduchu, a poté se sečtou, aby se určila celková tepelná ztráta. Na základě získané hodnoty je navržen otopný systém, který by měl tyto ztráty plně kompenzovat. Pokud jsou tepelné ztráty příliš velké, znamenají další finanční náklady a ne každý si to může dovolit. V této situaci je třeba myslet na vylepšení zateplovacího systému.
Samostatně musíme mluvit o oknech, u kterých je odpor přenosu tepla určen regulačními dokumenty. Není třeba provádět výpočty sami. Existují hotové tabulky, ve kterých jsou zadány hodnoty odporu pro všechny typy konstrukcí oken a balkonových dveří.
Tepelné ztráty oken se počítají na základě plochy a také rozdílu teplot na různých stranách konstrukce.
Výše uvedené výpočty jsou vhodné pro začátečníky, kteří dělají své první kroky při projektování energeticky účinných domů. Pokud se profesionál pustí do podnikání, pak jsou jeho výpočty složitější, protože je navíc zohledněno mnoho korekčních faktorů – sluneční záření, absorpce světla, odraz slunečního světla, heterogenita struktur, umístění domu na místě a další.
Pojďme zjistit, jaký je součinitel tepelné vodivosti λ (lambda), odpor prostupu tepla R a součinitel prostupu tepla U.
Tepelné vlastnosti stavebních materiálů a konstrukcí mají tři důležité ukazatele (λ, R a U), které ovlivňují energetickou náročnost budov. Pro výběr stavební technologie, která nejlépe odpovídá moderním požadavkům na úsporu energie, je nutné pochopit rozdíly mezi těmito ukazateli a jaké vlastnosti konstrukce určují.
Tyto tři parametry spolu úzce souvisí. Součinitel tepelné vodivosti λ je v tomto případě charakteristikou materiálu, zatímco odpor prostupu tepla R a součinitel prostupu tepla U závisí na λ a vztahují se k vlastnostem stavebních konstrukcí.
Co je tepelná vodivost a součinitel tepelné vodivosti?
Tepelná vodivost je schopnost těles vést tepelnou energii z více zahřátých částí do méně zahřátých. Tepelná vodivost je určena množstvím tepla procházejícím za jednotku času jednotkou tloušťky materiálu.
Součinitel tepelné vodivosti λ je míra, která vyjadřuje schopnost materiálu o tloušťce 1 metr předat množství tepla v joulech za 1 sekundu s rozdílem teplot na protilehlých površích materiálu 1 stupeň Kelvina nebo Celsia a měří se ve W/ (m∙K).
Součinitel tepelné vodivosti λ
Ve většině případů se součinitel tepelné vodivosti stanovuje experimentálně měřením tepelného toku a teplotního gradientu ve studovaném materiálu. Záleží nejen na druhu materiálu, ale také na teplotě, vlhkosti, hustotě atd.
Průměrné ukazatele pro různé materiály
| Materiál | λ, W/(m∙K) |
| Železobeton | 2,04 |
| Keramická cihla | 0,75 |
| Pórobeton | 0,23 |
| dřevo | 0,14 |
| Minerální vlna | 0,043 |
| Pěnový polystyren (pěna) | 0,037 |
| Extrudovaný polystyren | 0,032 |
| Polyisokyanurátová pěna (PIR) | 0,022 |
Materiály s lepšími tepelně izolačními vlastnostmi mají nižší hodnoty součinitele tepelné vodivosti λ. Je třeba poznamenat, že existuje několik způsobů, jak určit λ, které umožňují získat různé hodnoty pro stejný materiál za různých podmínek.
Porovnání koeficientů tepelné vodivosti pro polyisokyanurátovou (PIR) pěnu získanou ve stěnové konstrukci ze 100 mm silných sendvičových panelů
| Součinitel tepelné vodivosti | λ, W/(m∙K) | R, (m2∙K)/W | U, W/(m 2 ∙K) | |
| 1 | λ0 výpočet | 0,0179 | 5,75 | 0,1739 |
| 2 | λ10 vypočteno | 0,0181 | 5,68 | 0,1761 |
| 3 | λ25 vypočteno | 0,0186 | 5,54 | 0,1805 |
| 4 | λ25, A zk | 0,023 | 4,51 | 0,2217 |
| 5 | λ25, A eff zk | 0,024 | 4,33 | 0,2310 |
| 6 | λ25, B zk | 0,031 | 3,38 | 0,2959 |
| 7 | λ10, A dekl | 0,022 | 4,70 | 0,2128 |
| 8 | λ25, B vypoč. | 0,040 | 2,66 | 0,3759 |
Porovnání součinitelů tepelné vodivosti pro minerální vlnu (W) získaných ve stěnové konstrukci ze sendvičových panelů o tloušťce 150 mm
| Součinitel tepelné vodivosti | λ, W/(m∙K) | R, (m2∙K)/W | U, W/(m 2 ∙K) | |
| 1 | λ0 výpočet napříč | 0,0317 | 4,89 | 0,2045 |
| 2 | λ10, A napříč | 0,0337 | 4,61 | 0,2169 |
| 3 | λ25, A exp | 0,0370 | 4,21 | 0,2375 |
| 4 | λ25, A exp | 0,0380 | 4,11 | 0,2433 |
| 5 | λ25, A ef exp | 0,0390 | 4,01 | 0,2494 |
| 6 | λ10, B zk | 0,0406 | 3,85 | 0,2597 |
| 7 | λ10, A decl | 0,0430 | 3,64 | 0,2747 |
| 8 | λ25, B výpočet podél | 0,0490 | 3,22 | 0,3106 |
- λ0 výpočet /λ10, A napříč – minimální možné vypočtené teoretické
PIR – absolutně suchý (0% vlhkost)
W – orientace vláken po směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5 %) - λ10 vypočteno /λ10, A napříč – pro jeden sendvičový panel, počítáno při 10 °C
PIR – absolutně suchý (0% vlhkost)
W – orientace vláken po směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5 %) - λ25 vypočteno /λ25, A exp – pro jeden sendvičový panel při 25 °C
PIR – počítáno v absolutně suchém stavu (vlhkost 0 %)
W – experimentální, orientace vláken příčně ke směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5 %) - λ25, A zk /λ25, A exp– pro jeden sendvičový panel při 25 °C
PIR – provozní režim A (vlhkost do 2%)
W – orientace vláken ve směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5%) - λ25, A eff zk /λ25, A ef exp – efektivní experimentální, pro stěnové konstrukce ze sendvičových panelů při 25 °C
PIR – provozní režim A (vlhkost do 2%)
W – orientace vláken ve směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5%) - λ25,B zk /λ10, B zk – experimentální, pro konstrukci stěn ze sendvičových panelů
PIR – při 25 °C, provozní režim B (vlhkost do 5 %)
W – při 10 °C, orientace vláken ve směru tepelného toku, provozní režim B (vlhkost do 1 %) - λ10, A dekl /λ10, A decl – deklarováno (maximálně možný nejhorší výsledek), pro stěnovou konstrukci ze sendvičových panelů při 10 °C
PIR – provozní režim A (vlhkost do 2%)
W – orientace vláken ve směru tepelného toku, provozní režim A (vlhkost do 0,5%) - λ25, B vypoč. /λ25, B výpočet podél – vypočtená, maximální možná norma při 25 °C
PIR – provozní režim B (vlhkost 5%)
W – orientace vláken ve směru tepelného toku, provozní režim B (vlhkost 1-2,5%)
Pro stěnovou konstrukci ze sendvičových panelů je určující faktor λ25, A eff zk, proto je tento koeficient vždy uveden v prohlášeních o shodě na panelu Ruukki. Povinné použití λ při výpočtech energetické náročnosti stavebních konstrukcí25, A eff zk vzhledem k tomu, že DSTU B V.2.7-182 upravuje standardní zkušební podmínky pro charakteristiky tepelné vodivosti při teplotě 25 °C a vlhkosti materiálu v rozsahu do 0,5 % (W) a do 2 % (PIR). Zároveň je v zemích Evropské unie zvykem určovat charakteristiky tepelné vodivosti při teplotě 10 °C, proto je na Ukrajině pro výrobky vyrobené v EU nutné dodatečně získat tyto ukazatele stanovené při teplotě 25 °C. C.
Je třeba poznamenat, že pro výpočet tepelného odporu vnějšího pláště budovy se používají jiné ukazatele než λ25, A eff zk je nesprávná, proto je pro výběr optimální tloušťky sendvičových panelů velmi důležité přesně pochopit, jaký indikátor λ výrobce naznačuje. Například: DBN V.2.6-31 upravuje minimální přípustné hodnoty odporu prostupu tepla vnějších obvodových konstrukcí obytných a veřejných budov pro teplotní pásmo I Rqmin=4,0 (m2∙K)/W. Abychom zajistili, že konstrukce stěn splňují požadavky této DBN, vezmeme-li v úvahu určující λ25, A eff zk, je nutné použít sendvičové panely z minerální vlny Ruukki o tloušťce 150 mm. Navíc, pokud použijeme více „reklamní“ λ0 výpočet, pak prý stačí panel o tloušťce 120 mm, ale ve skutečnosti to není pravda. Proto je důležité nehledět pouze na číselnou hodnotu λ, ale také na to, jaký konkrétní ukazatel dodavatel poskytuje. V opačném případě můžete v honbě za úsporami zvolit špatnou tloušťku sendvičových panelů, což povede ke zvýšení nákladů na vytápění a klimatizaci při provozu objektu.
Co je odpor přenosu tepla R?
Odpor prostupu tepla R je schopnost konstrukce bránit šíření tepelného pohybu molekul. Hodnota R ukazuje, jak konstrukce určité tloušťky odolává prostupu tepla skrz sebe a je určena teplotním rozdílem ve stupních Kelvina nebo Celsia na protilehlých plochách konstrukce potřebným k přenosu 1 W energetického výkonu přes 1 m 2 plochy. plocha této konstrukce a je měřena v (m 2 ∙K)/út
Pro výpočet odporu prostupu tepla vícevrstvého tepelně homogenního pláště budovy R∑ je použit vzorec, který bere v úvahu různé materiály tohoto provedení a koeficienty αВ (vnitřní) a αН (externí).
Pro zjednodušené pochopení můžeme říci, že odpor prostupu tepla R je tloušťka materiálu v metrech dělená jeho koeficientem tepelné vodivosti λ, který ukazuje, jak dobře odolává přenosu tepla při určité tloušťce. V důsledku toho, čím silnější je konstrukce a čím nižší jsou koeficienty tepelné vodivosti jejích materiálů, tím je energeticky účinnější.
Snížený odpor přenosu tepla R∑pr zohledňuje všechny skutečné tepelné ztráty obvodovou konstrukcí, a to i v oblastech zámkových spojů a spojů, rohových spojů, tepelných inkluzí, bodových ztrát, upevňovacích prvků atd. Na základě experimentálních dat měření sníženého odporu proti prostupu tepla konkrétního provedení se vypočítá λ25, A eff zk, který se následně použije k výpočtu R∑pr podobně navržené konstrukce.
R výpočet∑pr tepelně nehomogenní neprůhledná uzavírací konstrukce se vyrábí podle vzorce:
DSTU B V.2.6-189 upravuje, že při navrhování obvodových konstrukcí je povinné splnit podmínku R∑pr ≥ Rqmin.
Výpočtová tloušťka stěnových konstrukcí z různých materiálů pro dosažení odporu prostupu tepla R=4,0 (m2∙K)/W
Lepší izolovaný design poskytuje požadovanou R-hodnotu s minimální tloušťkou a zadržuje teplo stejně jako silnější konstrukce a zároveň umožňuje více prostoru v budově.
Odpor prostupu tepla R a součinitel prostupu tepla U
Jaký je součinitel prostupu tepla U?
Koeficient prostupu tepla U je množství tepla v joulech přenesené přes konstrukci o ploše 1 m2 za 1 sekundu, když je rozdíl teplot na protilehlých površích 1 stupeň Kelvina nebo Celsia.
Hodnota U je nepřímo úměrná odporu přenosu tepla a měří se ve W/(m 2 ∙K).
Součinitel prostupu tepla vyjadřuje schopnost konstrukce přenášet teplo z více vytápěné do méně vytápěné místnosti nebo mezi vnějším prostředím a vnitřním prostorem budovy. Čím nižší je hodnota U, tím lepší je tepelná izolace budovy.
Existuje také rozšířenější vzorec pro stanovení U, který navíc zohledňuje všechny skutečné tepelné ztráty vnějšími obvodovými konstrukcemi, avšak výsledky takového výpočtu jsou shodné s výpočtem pomocí zkráceného vzorce.
Kde hledat λ, R a U?
Výrobci tepelně izolačních stavebních konstrukcí musí uvádět údaje o λ, R a U ve veřejně dostupných popisech výrobků nebo v prohlášeních o shodě, pokud jejich dostupnost vyžaduje platná legislativa. Například součinitel tepelné vodivosti λ, snížený odpor prostupu tepla R a součinitel prostupu tepla U pro sendvičové panely Ruukki jsou uvedeny v prohlášeních zveřejněných na webových stránkách Rauta. Deklarované tepelněizolační vlastnosti panelů musí být potvrzeny protokoly o certifikačních zkouškách, které musí být k dispozici u výrobce. Bohužel na Ukrajině se mnoho dodavatelů sendvičových panelů neobtěžuje potvrzovat tepelněizolační vlastnosti testy a výpočty, ale deklarují fiktivní hodnoty.
Ukazatele λ, R a U se kromě zjišťování parametrů obvodových plášťů budov při projektování používají také pro výpočet energetické náročnosti budov a kontrolu tepelných parametrů během provozu.
V některých případech mohou mít obvodové konstrukce složitou konfiguraci, a proto je obtížné určit parametry tepelné izolace. Poté se doporučuje obrátit se na výrobce materiálu o pomoc s výpočtem energetické náročnosti budovy.