Теплоизоляционные материалы. Основные понятия

Глобальное потепление, может быть, и наступает, но, судя по зиме 2012 года, как-то медленно, неуверенно и не везде. Пока в-основном в фантазиях ученых и голливудских режиссеров. А цены на энергоресурсы все растут и растут, и это не фантазии, а жестокая реальность, поэтому все больше людей задумываются об утеплении своего жилья. При этом хочется выбрать самый лучший и самый дешевый утеплитель, да при этом еще простой и удобный в монтаже. К сожалению идеального варианта, по-прежнему нет, хотя с каждым днем появляются все новые и новые теплоизоляционные материалы и их производители каждый раз объявляют, что вот теперь-то уж точно их материал самый лучший и самый удобный для монтажа, а при покупке большой партии товара будет скидка. Для тех, кому таких утверждений недостаточно, придется самим разбираться в этом сложном и малопонятном мире теплоизоляции, а чтобы было понятнее, о чем идет речь или как тот или иной теплоизоляционный материал работает, придется вспомнить несколько забытых со школьных времен терминов.

На сегодняшний день известны 3 способа передачи тепла:

1. Конвекция

это передача тепла за счет перемещения материи, например воздуха или воды. Таким образом тепло передается в жидких и газообразных средах. Зимой воздух в наших помещениях нагревается более менее равномерно благодаря естественной конвекции, ну и когда вода течет по трубам отопления - это тоже конвекция, чаще принудительная.

2. Теплопроводность

передача тепла внутри материи, подобная передаче электрического тока в проводниках. Все пользуются электричеством, но четкой теории, объясняющей, как передается ток в проводниках, пока нет. Тоже самое можно сказать и про теплопередачу. И еще, хорошие проводники электрического тока являются хорошими проводниками тепла и, соответственно, плохими теплоизоляторами. И наоборот, чем выше электрическое сопротивление материала, тем лучше его теплоизоляционные свойства. Чтобы отопительные батареи лучше отдавали тепло их делают из металлов, а чтобы батареи выглядели лучше, их красят белой краской и тем самым ухудшают их теплопроводность, впрочем это отдельная тема.

3. Радиация

(инфракрасное излучение) - передача тепла за счет изменения формы материи из корпускулярной в волновую. Про радиацию знают все, а с объяснением природы радиации дело обстоит еще хуже, чем с природой теплопроводности или электричества. Излучать тепло могут все тела, и живые и неживые.

Возможно также, что существуют и другие способы передачи тепла, которые пока не то что не объяснены, но даже не открыты.

Для того, чтобы тепло передавалось любым из вышеперечисленных способов, нужна разница температур.

Температура 

физическая величина, которую знают даже дети, но никто просто объяснить не может. Определение температуры как "скалярной физической величины, характеризующей приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия" или "величины, обратной изменению энтропии системы при добавлении в систему единичного количества теплоты" мало что проясняет, хотя второе определение, на мой взгляд, более точно выражает физическую сущность температуры. Другими словами если бы не было разницы температур, о температуре никто никогда не узнал. Но так как разница температур все-таки есть и часто, по человеческим меркам, немалая, то возникает потребность в теплоизоляции. А чтобы определить свойства теплоизоляции используется:

Коэффициент теплопроводности λ

это количество тепла, проходящего через вещество толщиной 1 м и площадью 1 м² за 1 час при разнице температур на входе и на выходе в 10^оC. Например, зимой поверхность стены в помещении - это вход, а поверхность стены на улице - это выход, летом - наоборот. Измеряется коэффициент теплопроводности в Вт/(м*К) или Вт/(м*С).

Толщина теплоизоляции

самый простой и самый понятный термин. Любой существующий строительный материал обладает теплоизоляцией, даже полнотелый кирпич и бетон, поэтому толщина несущих конструкций зданий рассчитывается не только с учетом нагрузок, но и с учетом теплопроводности. Раньше считалось, что кирпичная стена толщиной в 51 см не нуждается в дополнительной теплоизоляции, но теперь это мнение во многих странах СНГ пересмотрено.

Плотность теплоизоляционного материала

чем ниже плотность материала, тем выше его теплоизолирующие свойства. Любой материал с плотностью ниже 400 кг/м³ можно считать теплоизоляционным материалом, кроме того такой материал может выполнять некоторые конструктивные функции. Самые лучшие теплоизоляторы имеют плотность 10-50 кг/м³, но такие материалы использоваться как конструктивные элементы не могут.

Количество тепла, передающегося конвекцией, теплопроводностью или радиацией, зависит от различных факторов. Так, например, чем выше температура тела, и чем более тело является черным, тем больше тепла передается радиацией. Подробности изложены в законе Стефана - Больцмана. Количество тепла, передаваемого конвекцией и теплопроводностью, зависит от количества щелей в окнах и дверях, частоты открывания окон и дверей, силы ветра за окном, влажности воздуха и еще десятков факторов. Поэтому трудно точно определить, какое именно количество тепла передается каждым из способов из нашего с таким трудом обогретого жилья бездушной холодной улице. Ну а если приблизительно, то около 20-50% тепла уходит из наших квартир с радиацией, 60-20% при конвекции. Открывание дверей для входа или выхода в дом и наличие щелей в стенах потолках, полах, окнах и дверях тоже приводит к конвекции. Около 20-40% тепла уходит из наших квартир из-за теплопроводности. Максимально снизить конвекцию помогают современные окна и двери, при минимуме щелей около 40-50% тепла уходит с радиацией около 30-40% в результате теплопроводности и около 15-25% в результате конвекции. Большинство простых теплоизоляционных материалов рассчитаны на снижение теплопотерь при передаче тепла теплопроводностью. В гражданском строительстве теплоизоляция используется для стен, полов и потолков, то есть практически для всех элементов конструкций. Также теплоизоляция используется для трубопроводов, но это не наша тема.

На сегодняшний день человечеству известны следующие

Виды теплоизоляционных материалов - веществ:

1. Вакуум

Это самый лучший и надежный теплоизоляционный материал, точнее будет сказать, что полное отсутствие материала и даже материи гарантирует максимально возможную теплоизоляцию. Именно такая теплоизоляция часто применяется в термосах и иногда при изготовлении стеклопакетов. Тем не менее даже через вакуум тепло может передаваться. В вакууме нет материи и соответственно не возможна теплопроводность и конвекция, а вот излучение проходит даже через вакуум. С одной стороны это плохо, так как выходит, что идеальной теплоизоляции не существует, а с другой стороны хорошо, потому как солнце нас греет благодаря только этому способу теплопередачи. Главный недостаток вакуума - это цена, как ни парадоксально это звучит. Дело в том, что для получения вакуума требуется дорогостоящее оборудование.

2. Воздух

Самый лучший после вакуума теплоизолятор. Главные достоинства воздуха - самая низкая (после вакуума) теплопроводность, абсолютная доступность, абсолютная бесплатность и абсолютная простота использования. Именно поэтому воздух входит в состав всех ныне используемых теплоизоляционных материалов и чем воздуха в материале больше, тем материал лучше. Поэтому, когда Вы покупаете теплоизоляционный материал, то платите в-основном за воздух, как ни обидно это осознавать. Но ничего странного в этом нет, дело в том что у воздуха, как у теплоизолятора, есть несколько больших недостатков - слишком ненадежный элемент, нагрелся - поднялся, остыл - опустился, или говоря по-научному - конвекция. Кроме того, теплопроводность воздуха очень сильно зависит от влажности. Чем выше процент влаги в воздухе, тем хуже его теплоизоляционные свойства, а при очень высокой влажности воздух из теплоизолятора превращается в теплоноситель. Борьбе с конвекцией и насыщением воздуха влагой и посвящены разработки теплоизоляционных материалов.

3. Металл

Как уже говорилось, металлы обладают самой высокой теплопроводностью, но при этом и самым высоким коэффициентом отражения тепловой радиации, поэтому металлы никогда не используются как самостоятельный теплоизолятор, а только в качестве вспомогательной теплоизоляции, в тех же термосах и в комбинированных теплоизоляционных материалах (чаще всего алюминий).

Все. Больше никаких теплоизоляционных материалов - веществ, известных человеку, нет, а вот теплоизоляционных материалов, содержащих в той или иной форме воздух, или комбинированных материалов - огромное множество и когда речь заходит о теплоизоляционных материалах, то имеются в виду материалы - контейнеры воздуха. Теплоизоляционные материалы - вещества придуманы довольно давно, теософы утверждают, что отцом, ученые, что матерью, но как бы то ни было, патента на изобретение или на использование ни у кого нет, а потому всеми этими материалами можно свободно пользоваться. Например, когда Вы заказываете окна со стеклопакетами, то обращать внимание нужно на толщину воздушной прослойки между стеклами, а не на количество и хитроумность камер в профиле. Казалось бы, очевидный факт - чем больше расстояние между стеклами, тем лучше общая теплоизоляция окна - но девочки, занимающиеся оформлением заказов, поверить в это не могут. Или еще пример, если Вы зашиваете старую стену гипсокартоном, пластиковыми панелями, панелями МДФ или любым другим материалом, то кроме преследуемых эстетических целей Вы абсолютно бесплатно получаете дополнительную теплоизоляцию. Правда, если на старой стене есть трещины и щели, пропускающие воздух, то их нужно предварительно заделать, иначе толку от такой теплоизоляции будет не много, конвекция и изменяющаяся влажность воздуха сведут на нет такое утепление. Впрочем и при использовании платных теплоизоляционных материалов дефекты стены заделывать все равно придется.

Виды теплоизоляционных материалов - контейнеров воздуха:

1. Теплоизоляция из минерального сырья.

Минеральная вата

называется так потому, что по структуре напоминает обычную целлюлозную вату. Видов минеральной ваты несколько: стекловата - производится из песка, каменная вата - производится из горных минералов (базальты, мергели, доломиты и др.), шлаковата - производится из расплавов доменного шлака. Главные достоинства таких утеплителей - высокая огнестойкость плюс относительно низкая цена (минералов в Земле много, а песка и подавно). Главные недостатки - возможная опасность для здоровья и низкая влагостойкость. При работе с такими утеплителями необходимо использовать перчатки, очки и даже респиратор. Тот, кто работал с советской стекловатой, знает, какая это гадость, и хотя современная стекловата не такая "колючая", но пользы для здоровья от нее по-прежнему не много, в Германии, например, минеральная вата уже не используется. При использовании таких утеплителей следует дополнительно защищать их поверхность полиэтиленовой пленкой для пароизоляции.

Пеностекло

также изготавливается из песка, но по структуре ближе к пенопласту. Главные достоинства - прочность, высокая огнестойкость, высокая влагостойкость (паронепроницаемость), высокая экологичность. Главный недостаток высокая цена.

Газонаполненные бетоны (пенобетон, газобетон, ячеистый бетон) и бетоны с легкими наполнителями

(шлакобетон, керамзитобетон, перлитобетон и др.). Главные достоинства таких материалов - высокая огнестойкость и то, что они могут использоваться как конструктивные материалы для стен. Главный недостаток - низкая водостойкость.

Для утепления полов часто используется насыпная теплоизоляция из керамзита, получаемого обжигом легкоплавкой глины, вспученного перлита, вспученного вермикулита и др., а также газонаполненные шлаки, остающиеся после выплавки металлов. Главное достоинство таких материалов - низкая цена. Главные недостатки - низкая водостойкость и возможность усадки.

2. Теплоизоляция из полимеров

Производятся такие материалы в-основном из газа или нефти. Наиболее известные представители таких теплоизоляционных материалов - пенопласт, экструдированный пенополистирол (более плотный пенопласт), пенополиэтилен, и пенополиуретан (большинство потребителей знают этот материал, как монтажную пену, или как поролон, который, действительно, является одним из видов пенополиуретана, но в качестве строительной теплоизоляции не используется из-за короткого срока службы). Главное достоинство таких теплоизоляционных материалов - высокая влагостойкость.

3. Теплоизоляция из натуральных растительных материалов

Самый древний, самый экологически чистый и на сегодняшний день самый дорогой вид теплоизоляции. Деревянные стены, полы, потолки, пробковое или бамбуковое покрытие и даже обычная вата, которую бабушки засовывают на зиму между оконными рамами - основные представители теплоизоляции из натуральных растительных материалов. Главные недостатки - подверженность горению и гниению, а также низкая влагостойкость. Чтобы повысить влагостойкость, такие материалы подвергаются обработке водостойкими пропитками или финишной обработке лаками или красками. А еще выпускают пробковую подложку под ламинат и паркетную доску, пропитанную битумом или прорезиненную.

4. Теплоизоляция с использованием натуральных растительных материалов

Древесно-волокнистные и древесно-стружечные плиты низкой плотности используются в-основном как теплоизоляционные материалы. Недостатки у плит такие же как и у теплоизоляции из натуральных растительных материалов плюс сомнительная экологичность (при изготовлении плит используются клеи и смолы). Для повышения влагостойкости такие материалы также подвергаются обработке водостойкими пропитками.

А чтобы было еще веселее, производители выпускают теплоизоляционные материалы под своими торговыми марками, описать которые практически невозможно, упомяну наиболее популярные.

Таблица 1. Виды теплоизоляции.

Примечания:

1. Теплоизоляционные материалы выпускаются разной толщины. Необходимая толщина теплоизоляции определяется теплотехническим расчетом. 

2. Теплоизоляционные материалы, которые чаще используются как конструктивные элементы, в таблице не даны. Для таких материалов первостепенным является расчет на нагрузки.

3. Для основных теплоизоляционных материалов Цена за 1 м² дана для толщины 50 мм.

4. Большинство теплоизоляционных материалов могут выпускаться как в простом виде, так и в комбинированном - с алюминиевой пленкой. 

На этом пока все.

Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье "Записаться на прием к доктору"

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV

На главную

• Строительные и отделочные материалы ::: Теплоизоляционные материалы

Комментариев нет

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье "Записаться на прием к доктору" (ссылка в шапке сайта).