Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów budowlanych: co oznacza wskaźnik + tabela wartości

Budownictwo przewiduje stosowanie wszelkich odpowiednich materiałów. Główne kryteria to bezpieczeństwo życia i zdrowia, przewodność cieplna, niezawodność. Następnie cena, właściwości estetyczne, uniwersalność zastosowania itd.

Rozważmy jedną z najważniejszych cech materiałów budowlanych – współczynnik przewodzenia ciepła, ponieważ to od tej właściwości w dużej mierze zależy na przykład poziom komfortu w domu.

Czym jest WPC materiału budowlanego?

Teoretycznie, i praktycznie również, materiały budowlane zazwyczaj tworzą dwie powierzchnie – zewnętrzną i wewnętrzną. Z fizycznego punktu widzenia, ciepły obszar zawsze dąży do obszaru zimnego.

W odniesieniu do materiału budowlanego, ciepło będzie dążyć od jednej powierzchni (cieplejszej) do drugiej powierzchni (chłodniejszej). Właśnie ta zdolność materiału do takiego przejścia nazywa się – współczynnikiem przewodzenia ciepła lub w skrócie – WPC.

Schemat wyjaśniający efekt przewodzenia ciepła: 1 – energia cieplna; 2 – współczynnik przewodzenia ciepła; 3 – temperatura pierwszej powierzchni; 4 – temperatura drugiej powierzchni; 5 – grubość materiału budowlanego

Charakterystyka WPC jest zwykle oparta na testach, gdzie pobiera się próbkę o wymiarach 100x100 cm i stosuje się do niej działanie cieplne z uwzględnieniem różnicy temperatur dwóch powierzchni wynoszącej 1 stopień. Czas działania 1 godzina.

W związku z tym przewodzenie ciepła mierzone jest w Watach na metr na stopień (W/m°C). Współczynnik oznaczany jest greckim symbolem λ.

Domyślnie przewodzenie ciepła różnych materiałów budowlanych o wartości mniejszej niż 0,175 W/m°C kwalifikuje te materiały do kategorii izolacyjnych.

Nowoczesna produkcja opanowała technologie wytwarzania materiałów budowlanych, których poziom WPC wynosi poniżej 0,05 W/m°C. Dzięki takim produktom udaje się osiągnąć wyraźny efekt ekonomiczny w zakresie zużycia zasobów energetycznych.

Wpływ czynników na poziom przewodzenia ciepła

Każdy pojedynczy materiał budowlany ma określoną strukturę i posiada swoiste właściwości fizyczne.

Podstawą tego są:

• wymiarowość kryształów struktury;
• stan fazowy substancji;
• stopień krystalizacji;
• anizotropia przewodzenia ciepła kryształów;
• objętość porowatości i struktury;
• kierunek przepływu ciepła.

To wszystko są czynniki wpływające. Pewien wpływ na poziom współczynnika przewodzenia ciepła ma również skład chemiczny i domieszki. Ilość domieszek, jak pokazała praktyka, ma szczególnie wyraźny wpływ na poziom przewodzenia ciepła składników krystalicznych.

Izolacyjne materiały budowlane to klasa produktów do budownictwa, stworzonych z uwzględnieniem właściwości współczynnika przewodzenia ciepła zbliżonych do optymalnych. Jednak osiągnięcie idealnego przewodzenia ciepła przy zachowaniu innych cech jest niezwykle trudne.

Z kolei na współczynnik przewodzenia ciepła wpływają warunki eksploatacji materiału budowlanego – temperatura, ciśnienie, poziom wilgotności i inne.

Materiały budowlane o minimalnym WPC

Według badań, minimalną wartość przewodzenia ciepła (około 0,023 W/m°C) ma suche powietrze.

Z punktu widzenia zastosowania suchego powietrza w strukturze materiału budowlanego, niezbędna jest konstrukcja, w której suche powietrze znajduje się wewnątrz licznych zamkniętych przestrzeni o małej objętości. Konstrukcyjnie taka konfiguracja jest przedstawiona w postaci licznych porów wewnątrz struktury.

Stąd logiczny wniosek: niskim poziomem współczynnika przewodzenia ciepła powinien charakteryzować się materiał budowlany, którego wewnętrzna struktura stanowi porowatą formację.

Przy czym, w zależności od maksymalnej dopuszczalnej porowatości materiału, wartość przewodzenia ciepła zbliża się do wartości współczynnika przewodzenia ciepła suchego powietrza.

Tworzeniu materiału budowlanego o minimalnym przewodzeniu ciepła sprzyja porowata struktura. Im więcej porów o różnej objętości znajduje się w strukturze materiału, tym lepszy współczynnik przewodzenia ciepła można uzyskać.

W nowoczesnej produkcji stosuje się kilka technologii w celu uzyskania porowatości materiału budowlanego.

W szczególności stosuje się technologie:

• spieniania;
• gazowania;
• nasycania wodą;
• spęczniania;
• wprowadzania dodatków;
• tworzenia szkieletów włóknistych.

Należy zaznaczyć: współczynnik przewodzenia ciepła jest bezpośrednio związany z takimi właściwościami, jak gęstość, pojemność cieplna, przewodność temperaturowa.

Wartość przewodzenia ciepła można obliczyć według wzoru:

λ = Q / S * (T₁-T₂)*t,

Gdzie:

• Q – ilość ciepła;
• S – grubość materiału;
• T₁, T₂ – temperatura po obu stronach materiału;
• t – czas.

Średnia wartość gęstości i przewodzenia ciepła jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości porowatości. Dlatego, wychodząc od gęstości struktury materiału budowlanego, zależność od niej przewodzenia ciepła można obliczyć w następujący sposób:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d² – 0,16,

Gdzie: d – wartość gęstości. Jest to wzór W.P. Niekrasowa, obrazujący wpływ gęstości konkretnego materiału na wartość jego współczynnika przewodzenia ciepła.

Wpływ wilgoci na przewodzenie ciepła materiału budowlanego

Ponownie, sądząc po przykładach użycia materiałów budowlanych w praktyce, okazuje się negatywny wpływ wilgoci na współczynnik przewodzenia ciepła (WPC) materiału. Zauważono – im bardziej materiał jest narażony na zawilgocenie, tym wyższa staje się wartość WPC.

Różnymi sposobami dąży się do ochrony materiału używanego w budownictwie przed działaniem wilgoci. Ten środek jest w pełni uzasadniony, biorąc pod uwagę wzrost współczynnika dla mokrego materiału budowlanego.

Uzasadnienie tego momentu nie jest trudne. Wpływ wilgoci na strukturę materiału budowlanego towarzyszy nawilżaniu powietrza w porach i częściowemu zastąpieniu środowiska powietrznego.

Biorąc pod uwagę, że parametr współczynnika przewodzenia ciepła dla wody wynosi 0,58 W/m°C, staje się zrozumiałe znaczne podwyższenie WPC materiału.

Należy również odnotować bardziej negatywny efekt, gdy woda wnikająca do porowatej struktury dodatkowo zamarza – zamienia się w lód.

W związku z tym łatwo obliczyć jeszcze większy wzrost przewodności cieplnej, biorąc pod uwagę parametry WPC lodu, równego wartości 2,3 W/m°C. Wzrost około czterokrotny w stosunku do parametru przewodności cieplnej wody.

Jedną z przyczyn rezygnacji z budowy zimowej na rzecz budowy latem należy uznać właśnie czynnik możliwego przemarzania niektórych rodzajów materiałów budowlanych, a w konsekwencji – wzrost przewodności cieplnej.

Stąd stają się oczywiste wymagania budowlane dotyczące ochrony izolacyjnych materiałów budowlanych przed wnikaniem wilgoci. Poziom przewodności cieplnej rośnie bowiem wprost proporcjonalnie do ilościowej wilgotności.

Nie mniej istotny wydaje się inny moment – odwrotny, gdy struktura materiału budowlanego poddawana jest znacznemu nagrzewaniu. Nadmiernie wysoka temperatura również prowokuje wzrost przewodności cieplnej.

Dzieje się tak z powodu wzrostu energii kinetycznej cząsteczek stanowiących strukturalną podstawę materiału budowlanego.

Prawda, istnieje klasa materiałów, których struktura, przeciwnie, nabywa lepsze właściwości przewodzenia ciepła w trybie silnego nagrzewania. Jednym z takich materiałów jest metal.

Jeśli pod silnym nagrzewaniem większość powszechnie stosowanych materiałów budowlanych zmienia przewodność cieplną w kierunku wzrostu, silne nagrzewanie metalu prowadzi do odwrotnego efektu – WPC metalu spada.

Metody określania współczynnika

Stosowane są różne metody w tym kierunku, ale w rzeczywistości wszystkie techniki pomiaru są połączone dwiema grupami metod:

1. Tryb pomiarów stacjonarnych.
2. Tryb pomiarów niestacjonarnych.

Metoda stacjonarna polega na pracy z parametrami, które są niezmienne w czasie lub zmieniają się w niewielkim stopniu. Ta technologia, sądząc po praktycznych zastosowaniach, pozwala oczekiwać dokładniejszych wyników KTP.

Działania mające na celu pomiary przewodności cieplnej, metoda stacjonarna pozwala przeprowadzać w szerokim zakresie temperatur – 20 – 700 °C. Jednocześnie technologia stacjonarna uważana jest za pracochłonną i skomplikowaną metodę, wymagającą dużej ilości czasu na wykonanie.

Przykład aparatu przeznaczonego do wykonywania pomiarów współczynnika przewodności cieplnej. Jest to jedna z nowoczesnych cyfrowych konstrukcji, zapewniająca uzyskanie szybkiego i dokładnego wyniku.

Inna technologia pomiarów – niestacjonarna, wydaje się bardziej uproszczona, wymagająca do wykonania prac od 10 do 30 minut. Jednak w tym przypadku zakres temperatur jest znacznie ograniczony. Niemniej jednak metoda znalazła szerokie zastosowanie w sektorze produkcyjnym.

Tabela przewodzenia ciepła materiałów budowlanych

Poddawanie pomiarom wielu istniejących i powszechnie używanych materiałów budowlanych nie ma sensu.

Wszystkie te produkty są z reguły wielokrotnie testowane, na podstawie czego sporządzono tabelę przewodności cieplnej materiałów budowlanych, która obejmuje praktycznie wszystkie materiały potrzebne na budowie.

Jedna z wersji takiej tabeli przedstawiona jest poniżej, gdzie KTP – współczynnik przewodności cieplnej:

Zalecamy również przeczytanie naszych innych artykułów, w których opowiadamy o tym, jak prawidłowo wybierać izolację:

1. Izolacje do dachu mansardowego.
2. Materiały do izolacji domu od wewnątrz.
3. Izolacje sufitu.
4. Materiały do zewnętrznej izolacji cieplnej.
5. Izolacja podłogi w domu drewnianym.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film tematyczny, w którym dość szczegółowo wyjaśniono – czym jest KTP i do czego służy. Po zapoznaniu się z materiałem przedstawionym w filmie, pojawiają się duże szanse na zostanie profesjonalnym budowniczym.

Oczywista kwestia – potencjalny budowniczy koniecznie musi wiedzieć o przewodności cieplnej i jej zależności od różnych czynników. Ta wiedza pomoże budować nie tylko jakościowo, ale z wysokim stopniem niezawodności i trwałości obiektu. Użycie współczynnika w istocie to realna oszczędność pieniędzy, na przykład na opłatach za te same media.

Jeśli pojawiły się pytania lub macie Państwo cenne informacje na temat artykułu, prosimy o pozostawienie komentarzy w bloku znajdującym się poniżej.