Теплопроводность – это скорость передачи тепла через вещество. Коэффициент теплопередачи материала (например, изоляции или бетона) или конструкции (например, стены или окна) выражается как коэффициент U. Теплоизоляция конструкции обратна ее коэффициенту теплопередачи .
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 :
В Соединенных Штатах значение U выражается в британских тепловых единицах (БТЕ) на час-квадратный фут-градус Фаренгейта:
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:
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 теплопроводности для обычных строительных конструкций следующие: [ нужна ссылка ]
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]
При расчете коэффициента теплопередачи полезно учитывать конструкцию здания с точки зрения его различных слоев. Например, полая стена может быть описана, как в следующей таблице:
В этом примере общая изоляция составляет 1,64 Км 2 /Вт. Коэффициент теплопередачи конструкции является обратной величиной общей теплоизоляции. Таким образом, коэффициент теплопередачи этой структуры составляет 0,61 Вт/(м 2 ⋅К).
(Обратите внимание, что этот пример упрощен, поскольку не учитывает металлические соединители, воздушные зазоры, прерывающие изоляцию, или растворные швы между кирпичами и бетонными блоками.)
При расчете теплопроводности стены можно учесть растворные швы , как показано в следующей таблице. Поскольку швы раствора пропускают тепло легче, чем легкие бетонные блоки, говорят, что раствор «перекрывает» легкие бетонные блоки.
Средняя теплоизоляция «мостикового» слоя зависит от доли площади, занимаемой раствором, по 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 приблизительно равно 2/( R max + R min ). Дополнительная информация о том, как бороться с «мостовым соединением», приведена в ISO 6946.
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 теплопроводности наиболее точны, если:
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]