Теплопроводность некоторых материалов может меняться. Важно понимать, как быстро это происходит.

Основы теории теплопередачи

Передача внутренней энергии (теплоты) от теплой (здание) или горячей (оборудование) поверхности конструкций в пространство (окружающую среду) называется теплообменом или теплопереносом. Необходимое условие передачи теплоты — перепад температур (температурный градиент). Теплоперенос раскладывается на три элементарных составляющих:

1. Кондуктивная теплопередача — теплоперенос в сплошной среде при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различные температуры.

2. Конвекция — теплоперенос путем перемещения вещества в пространстве. Свойственно движущимся жидкостям и газам.

3. Тепловое излучение (лучеиспускание, радиация) – теплоперенос в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тел, поглощающих лучистую теплоту. Данная составляющая актуальна при значительном перепаде температур, то есть в изоляции промышленного и энергетического оборудования. В общем виде совокупность этих трех составляющих носит название теплопроводность λ (ранее коэффициент теплопроводности), которая зависит от плотности материала, его температуры и химического состава.

Теплоизоляционные материалы — разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью, которая объясняется наличием большого количества пор, заполненных воздухом, являющимся в неподвижном состоянии плохим проводником тепла.

При применении таких материалов в ограждающих конструкциях зданий и сооружений решающее влияние на теплопередачу оказывает кондуктивная составляющая теплопроводности, поскольку воздух в порах близок к неподвижному состоянию, а радиационная составляющая в условиях эксплуатации крайне незначительна. Так описана классическая теория тепловой изоляции [1].

При этом в условиях эксплуатации воздух в порах теплоизоляционных материалов не всегда неподвижен; более того, иногда это не воздух.

Измерение теплопроводности

Теплопроводность λ (Вт/(м К)) измеряют стандартными методами [2–6] при референсных температурах. Для строительных материалов это, как правило, 10 °С, возможны варианты 23 °С [7], 24 °С (Северная Америка), 25 °С (страны СНГ). В любом случае это условный показатель, дающий возможность сравнения теплоизолирующей способности материалов в сухом состоянии. В условиях эксплуатации он меняется в зависимости от количества влаги в материале, причем для разных материалов по-своему.

Принимается, что расчетное термическое сопротивление R ((м2 К)/Вт) определяется по расчетной теплопроводности (с учетом наличия влаги внутри материала) при 10 °С [8].

Очевидно, что 10 °С не может являться средней температурой в ограждающей конструкции в течение всего отопительного периода, тем более на всей территории России. Тем не менее это принято и приемлемо по причинам, описанным далее.

Зависимость теплопроводности от температуры материалов с воздушными порами в условиях эксплуатации зданий и сооружений практически линейная.

Ее можно выразить следующей зависимостью:

λ = λ0 [1+b (t – t0)],

где λ0 — теплопроводность материала при референсной темпереатуре, Вт/ (м К);

b — коэффициент прироста теплопроводности материала при повышении температуры на 1 °С;

t0 — референсная температура, °С;

t – температура, при которой определяется теплопроводность, °С.

Зависимость справедлива для материалов с воздухонаполненными порами. Если же поры заполнены газом или смесью газов, отличных от воздуха (вспенивающий агент), ситуация выглядит иначе. Нетрадиционно.

Газонаполненные пластмассы (пенопласты)

Следует подчеркнуть, что теплопроводность вспенивающих агентов ниже теплопроводности воздуха.

Экструзионный пенополистирол XPS

При производстве XPS в качестве вспенивателей применяют либо хладоны (фреоны) с низкой озоноразрушающей способностью, либо углекислый газ. В дальнейшем сравнительно быстро вспенивающий агент в процессе диффузии замещается воздухом. То есть материал переходит в разряд утеплителей с традиционной теплопроводностью. Насколько быстро? Стандартный срок выдержки материала в нормальных условиях (23 °С и 50% относительной влажности) перед измерением его теплопроводности не превышает 90 суток [9].

Пенополиизоцианурат PIR

Плиты из пенополиизоцианурата, являющегося разновидностью пенополиуретана, их использование технологически невозможно без каких-либо облицовок (бумаги, полимерной пленки, ткани, металлической фольги и др.). Материалы облицовки бывают воздухопроницаемыми, воздухонепроницаемыми или герметичными. Естественно, что максимального теплоизоляционного эффекта можно достичь с герметичной облицовкой, препятствующей относительно быстрому замещению вспенивающего агента воздухом в порах материала. Вопрос о времени полного замещения до конца не изучен. Можно лишь констатировать, что этот процесс идет годами. Здесь и скрыта интересная особенность данного продукта.

Свойства пенополиуретанов и температура

Высокомолекулярные вспенивающие агенты для полиуретанов называют перманентными. Считается, что они сохраняются в материале в течение всего срока эксплуатации. К ним относятся углеводороды (пентан), фторпроизводные углеводородов (хладоны, фреон). Они могут применяться в сочетании друг с другом, а также с диоксидом углерода (СО2), который к перманентным вспенивающим агентам не относится и замещается в процессе диффузии воздухом [10]. Находящийся в порах пенополиуретана газ отличается от воздуха в том числе и температурой, при которой он конденсируется. Теплопроводность жидкости отличается от теплопроводности газа, соответственно, и теплопроводность всего материала будет меняться.

Американская Building Science Corporation (BSC) провела большое исследование [11] с целью оценки теплотехнических свойств ограждающих конструкций (стен) в условиях эксплуатации (рассматривался диапазон температур). Результаты, полученные в процессе испытаний, дали возможность построить графики зависимости теплопроводности различных материалов от температуры. На рисунке представлены эти зависимости для следующих материалов:

Выводы

Термическое сопротивление ограждающих конструкций в России рассчитывается при средней температуре конструкции 10 °С. Разумеется, это лишь референсная температура, не отражающая в полной мере реальные колебания во время отопительного периода. Но, учитывая линейную зависимость теплопроводности традиционных материалов от температуры, расчетное термическое сопротивление может распространяться на любую среднюю температуру в конструкции ниже 10 °С, поскольку создается даже некоторый запас тепловой защиты благодаря понижению теплопроводности.

Теплопроводность изделий из PIR с герметичными облицовками достаточно резко возрастает с пониже- нием температуры, но точка роста и его интенсивность зависят от химического состава вспенивающего агента.

Не учитывать такое явление нельзя, поскольку теплопроводность исследованного BSC пенополиизоцианурата увеличилась практически в три раза при падении температуры от 15 °С до –15 °С, превратив эффективный утеплитель в чуть ли не теплопроводное включение.

Очевидно, что учет должен осуществляться в рамках теплотехнических расчетов ограждающих конструкций. Например, в Северной Америке производители теплоизоляционных материалов стали декларировать теплопроводность не только при стандартных 24 °С (рис. 1), но также при –4 °С, 4 °С и 43 °С. Такой набор реперных температур дает более-менее понятную картину свойств теплоизоляционного материала.

Автор: Алексей Воронин, специалист по стандартизации и нормированию ROCKWOOL

Библиография:

1. Горлов Ю. П., Меркин А. П., Устенко А. А. Технология теплоизоляционных материалов. М., 1980.

2. ISO 8301 Thermal insulation; determination of steady-state thermal resistance and related properties; heat flow meter apparatus.

3. ISO 8302 Thermal insulation; determination of steady-state thermal resistance and related properties; guarded hot plate apparatus.

4. ГОСТ 7076 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности.

5. ГОСТ 31924 Материалы и изделия строительные большой толщины с высоким и средним термическим сопротивлением. Методы определения термического сопротивления на приборах с горячей охранной зоной и оснащенных тепломером.

6. ГОСТ 31925 Материалы и изделия строительные с высоким и средним термическим сопротивлением. Методы определения термического сопротивления на приборах с горячей охранной зоной и оснащенных тепломером.

7. ISO 10456 Building materials and products – Hygrothermal properties – Tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values.

8. СП 50.13330.2012. Свод правил. Тепловая защита зданий.

9. ГОСТ 32310-2012 Изделия из экструзионного пенополистирола XPS теплоизоляционные промышленного производства, применяемые в строительстве. Технические условия.

10. ГОСТ Р 56590-2015 Изделия из жесткого пенополиуретана теплоизоляционные заводского изготовления, применяемые в строительстве. Общие технические условия.

11. Thermal Metric Summary Report. Building Science Corporation.http://www.buildingscience.com/documents/special/content/thermal-metric/BSCThermalMetricSummaryReport_20131021.pdf