Коэффициент – U – Российская Стекольная Компания

Что такое теплоёмкость и тепловая инерция? Какой материал больше всего удерживает тепла и как это отражается на нашу жизнь в частном доме?

Коэффициент U

Коэффициент U – это величина потерь тепла, и он выражается
в Ваттах деленных на квадратный метр и умноженный на градус Цельсия W/m2xC.

Коэффициент U широко используется для отражения уровня изоляции различных частей дома таких как: стены, крыши, окна и т.д. Чем ниже коэффициент U, тем больше уровень изоляции и меньше теплопотери.

Эмиссивитет – один из факторов, который оказывает влияние на коэффициент U. Чем меньше эмиссивитет поверхности материала, тем меньше будет коэффициент U. Например: Обычное стекло – одинарное остекление, U = 5,6 W/m2xC (5,6 – очень высокое значение коэффициента U, поэтому одинарное остекление является плохим изолятором).

Значительное уменьшение коэффициента U в окнах с двойным остеклением может быть достигнуто простой заменой одного прозрачного стекла на низкоэмиссионное стекло.

Ожидается, что результатом уменьшения значения коэффициента U, достигнутого за счет применения низкоэмиссионного стекла, будет существенное улучшение уровня изоляции остекляемых помещений. Эти значения в настоящее время представлены в Европейских строительных правилах.

Двойное остекление с использованием К – стекла может также использоваться как альтернатива многослойному поликарбонату в фасадном остеклении помещений и как следствие, приведет к еще большему сокращению затрат на отопление.

Использование К – стекла в двойном остеклении позволяет лучше сохранять и накапливать эту энергию и соответственно уменьшать необходимость отопления.

Теплоёмкость, теплоусвоение и инерция

теплоёмкость
Удельная теплоёмкость воды в зависимости от температуры

  Теплоёмкость тел – способность поглощать определённое количество тепла при нагревании, или отдавать при охлаждении. Теплоёмкость тела, это отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры. Измеряется эта величина в Дж/К. Для практического же применения применяют Удельную теплоёмкость. Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Количество этого вещества, в свою очередь, может быть измерено в кубометрах, килограммах или в молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают объёмную, массовую и молярную теплоёмкость. В строительстве вряд-ли нам придётся встречаться с молярными измерениями, потому молярную теплоёмкость я оставлю физикам.

     Массовая удельная теплоёмкость (обозначается буквой С), также называемая просто удельной теплоёмкостью – это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на килограмм на кельвин – Дж/(кг·К).

   Объёмная теплоёмкость (С`) – это количество теплоты, которое необходимо подвести соответственно к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин Дж/(м³·К).  В строительных справочниках обычно приводят массовую удельную теплоёмкость – её и будем рассматривать.

  На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества, давление и другие термодинамические параметры. С ростом температуры вещества его удельная теплоёмкость, как правило, возрастает, но некоторые вещества имеют совсем нелинейную кривую этой зависимости.  К примеру, с повышением температуры от 0°С до 37°С удельная теплоёмкость воды снижается, а после 37°С до 100°С возрастает (см. картинку слева). Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении и при постоянном объёме различны.

   Формула расчёта удельной теплоёмкости:  С=Q/(m·ΔT), где Q – количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении), m – масса вещества, ΔT – разность конечной и начальной температур вещества.  Значения теплоёмкости многих стротиельных материалов представлены в таблице ниже.

   Приведу еще для визуализации зависимость между теплопроводностью и теплоёмкостью некоторых маретиалов и ещё зависимость теплоёмкости и плотности:

теплоёмкость-теплопроводность
плотность-теплоёмкость

   Что же даёт нам эта характеристика материалов на практике? 

Теплоёмкие материалы используют при возведении теплоустойчивых стен. Это важно для домов с периодическим отоплением, например, печным. Теплоёмкие материалы и стены из них хорошо аккумулируют тепло. Запасают его в период работы отопительной системы (печи) и постепенно отдают после выключения отопительной системы, позволяя тем самым поддерживать комфортную температуру в течение суток. Чем больше может быть запасено тепла в теплоёмкой конструкции, тем стабильней будет температура в помещении. Интересно заметить, что традиционный в домостроении кирпич и бетон имеют значительно меньшую теплоёмкость, чем например, пенополистирол, а эковата и вовсе в три(!) раза более теплоёмкая, чем бетон.  Однако, в формуле теплоёмкости не зря задействована масса. Именно огромная масса бетона или кирпича в сравнении с той же эковатой позволяет в каменных стенах домов аккумулировать значительные количества тепла и сглаживать суточные колебания температур. И именно ничтожная масса утеплителя в каркасных домах, не смотря на бОльшую теплоёмкость, является слабым местом всех каркасных технологий. 

 Для решения описанной проблемы в каркасных домах устанавливают массивные теплоаккумуляторы – конструктивные элементы, имеющие высокую массу при достаточно высоком значении теплоёмкости. Это могут быть и какие-то внутренние стены из кирпича, массивная печь или камин, бетонные стяжки. Мебель в доме тоже является хорошим теплоаккумулятором, поскольку фанера, ДСП и любое дерево почти втрое больше может запасать тепла на килограмм веса, чем тот же кирпич. Недостаток такого подхода в том, что теплоаккумулятор необходимо проектировать ещё на стадии проектирования каркасного дома. В силу огромного его веса требуется заранее проектировать фундамент, представлять, как этот объект будет интегрирован в интерьер. Стоит отметить, что масса – это всё же не единственный критерий, нужно оценивать именно обе характеристики: массу и теплоёмкость. Даже золото со своим невероятным весом под 20 тонн на кубометр в качестве теплоаккумулятора будет работать лишь на 23% лучше, чем бетонный куб весом 2,5 тонны.

    Но самым лучшим веществом для теплоаккумулятора является вовсе не бетон и даже не кирпич! Хороша медь, бронза и железо, но они уж чрезмерно тяжелы. Вода! Вода имеет огромную теплоёмкость, наибольшую среди доступных веществ. Ещё бОльшую теплоёмкость имеют газы Гелий (5190 Дж/(кг·К) и Водород (14300 Дж/(кг·К), но их немножко проблематично использовать…  

      Я посчитал количество запасённой тепловой энергии в 1 м³ и 1 тонне материала при ΔT=1 °С.           Q=C·m·ΔT

теплоёмкость
теплоёмкость
Сравнение массы и объёма при одинаковой теплоёмкости
Суть тепловой инерции в картинке

   Как видно из графического представления данных – с водой не может соперничать ни один материал по параметру количества запасённого тепла! Для того, чтобы запастись 1МДж теплоты нам понадобится 240 литров воды или почти 8 тонн золота! Вода в 2,6 раза больше накапливает тепла, чем кирпич (при одинаковом объёме). На практике это означает, что в качестве очень эффективного теплоаккумулятора лучше всего использовать ёмкости с водой. Реализация тёплого водяного пола так же поможет улучшить стабильность температурного режима. 

     Однако, эти рассуждения применимы для температур не выше 100°С. После закипания вода переходит в иное фазовое состояние и резко меняет свою теплоёмкость. 

What are the units for U-Values?

The U-Value is measured in W/m² K

This is broken down as: The rate of heat flow (in Watts) through 1m² of a structure when there is a temperature difference across the structure of 1 degree (K or ˚C)

Example:

Wall 1 with U-Value of 0.3 W/m2 K will lose heat at half the rate of Wall 2 which has a U-Value of 0.6 W/m2 K

So, the LOWER the U-Value, the BETTER.

The lower the u-value the more efficient the construction is at keeping heat flow through the structure to a minimum.

What U-Values do you need for Building Regulations?

Currently the Building Regulations Part L1A (which refers to new dwellings are as follows:

  • U-value requirement External Walls 0.18 W/m²K
  • U-value requirement Party Walls 0.0 W/m²K
  • U-value requirement Floor 0.13 W/m²K
  • U-value requirement Roof 0.13 W/m²K
  • U-value requirement Windows (whole window U-value) 1.4 W/m²K
  • U-value requirement Opaque doors 1.0 W/m²K
  • U-value requirement Semi glazed doors 1.2 W/m²K

U-Value Calculator:

There are a few good u-value calculators online, that if you are short on time are worth checking out. Some are for calculating any build up, where as others have been developed by insulation manufacturers that specifically deal with their own products.

Scroll down to view our recommended Online U-value calculators.

Other helpful bits:

Architecture.com U-Value guideBRE Guide to U-Values

One of our readers, Brian, has very kindly provided access to the U-Value calculations of a live project so that you can get a feel for what is involved. Click on the link below to view.

Calculations of area weighted U-values

Brian also provided us with access to the very useful “Part L1B & What you need to know to get your building to pass

Online U-value calculators:

Thermal Calc Online

Vesma Calculator (This one seems the best)

Rockwool U-Value Calculator – This is for Rockwool products only

Kingspan U-Value Calculator – Kingspan products only

British Gypsum Calculator 

Reference:

McMullan, R. 2007. Environmental Science in Building

Don’t forget you can download our handy guide by clicking on the button below:

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...