Коэффициент теплопроводности материалов: что это, как измеряется и таблица значений

Что такое коэффициент теплопроводности простыми словами

Если одна сторона материала теплее другой, энергия передается от нагретой области к холодной. Чем легче тепло проходит через материал, тем выше его теплопроводность.

Металл проводит тепло быстро, поэтому металлическая поверхность кажется холодной даже при комнатной температуре: она интенсивно отводит тепло от руки. Минеральная вата ведет себя иначе. Ее волокнистая структура удерживает большое количество воздуха, а воздух обладает низкой теплопроводностью. В результате через слой утеплителя тепло проходит значительно медленнее.

Коэффициент λ позволяет выразить эту способность числом. Он характеризует сам материал, а не готовую стену определенной толщины.

Условно материалы можно расположить на большой шкале: воздух имеет λ около 0,026 Вт/(м·К) при комнатной температуре, эффективные утеплители — порядка 0,02–0,045, кирпичная кладка — уже десятые доли ватта на метр-кельвин, а у металлов значение может измеряться десятками и сотнями Вт/(м·К). Для атмосферного воздуха NIST приводит около 0,02568 Вт/(м·К) при 20 °C и нормальном давлении.

Как обозначается коэффициент теплопроводности

Для теплопроводности используется обозначение λ. В англоязычной технической литературе также встречается буква k.

Запись может выглядеть так:

λ = 0,036 Вт/(м·К).

Для теплоизоляционной плиты это означает характеристику самого материала при определенных условиях испытания. Толщина плиты в значение λ не входит. Плиты 50 и 100 мм из одного материала могут иметь одинаковую теплопроводность, но более толстая плита создаст большее сопротивление передаче тепла.

В документации на современные теплоизоляционные изделия встречаются и дополнительные обозначения. Например, λD — декларируемая теплопроводность при установленных стандартом условиях, а для расчета ограждающих конструкций могут указываться значения при условиях эксплуатации А и Б.

В чем измеряется коэффициент теплопроводности

Единица измерения в системе СИ — ватт на метр-кельвин: Вт/(м·К).

Физический смысл можно представить так: коэффициент характеризует интенсивность передачи тепла через материал при заданном температурном градиенте.

Иногда в документации встречается Вт/(м·°C). Для разности температур один кельвин численно равен одному градусу Цельсия, поэтому числовое значение коэффициента получается тем же. В нормативных документах и технических характеристиках предпочтительна запись Вт/(м·К).

ГОСТ 7076-99, регулирующий определение теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов при стационарном тепловом режиме, также использует Вт/(м·К). Стандарт действует и применяется для материалов с теплопроводностью до 1,5 Вт/(м·К) при средней температуре образца от −40 до +200 °C.

Как работает коэффициент теплопроводности

Количество тепла, проходящего через однородный слой, связано с коэффициентом λ, площадью поверхности, толщиной слоя и разностью температур.

Чем выше λ, тем легче материал передает тепло. Чем больше толщина слоя, тем большее препятствие он создает тепловому потоку.

Для строительной практики удобнее пользоваться термическим сопротивлением слоя:

R = δ / λ,

где R — термическое сопротивление, м²·К/Вт, δ — толщина материала в метрах, λ — коэффициент теплопроводности.

Например, условный утеплитель толщиной 100 мм и λ = 0,040 Вт/(м·К) имеет термическое сопротивление:

R = 0,1 / 0,040 = 2,5 м²·К/Вт.

Если при той же толщине λ составляет 0,032 Вт/(м·К), сопротивление увеличивается до 3,125 м²·К/Вт.

Поэтому при равной толщине утеплителя меньшая теплопроводность дает большее сопротивление теплопередаче.

Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем лучше?

Для задачи теплоизоляции — как правило, да. Материал с меньшим λ при той же толщине хуже проводит тепло.

Но из этого не следует, что минимальное значение автоматически означает лучший строительный материал. Утеплителю также нужны подходящая прочность, пожарные свойства, стабильность размеров, водостойкость и соответствие конструкции.

Кроме того, нельзя корректно сравнивать две цифры, полученные при разных условиях. Например, лабораторное значение при 10 °C и расчетное значение материала во влажных условиях эксплуатации могут заметно отличаться.

Если задача обратная и нужно эффективно отводить тепло — например, от теплообменника или радиатора, — высокий коэффициент становится преимуществом. Поэтому у меди, алюминия и латуни высокая теплопроводность является полезным свойством.

Таблица коэффициентов теплопроводности материалов

Ниже приведены ориентировочные значения и диапазоны. Они нужны для сравнения порядка величин, но не заменяют показатель конкретной марки из технической документации. Для пористых и теплоизоляционных материалов особенно важны плотность, влажность и температура.

Для ПЕНОПЛЭКС производитель в актуальной документации приводит декларируемую теплопроводность λD 0,034 Вт/(м·К), а при эксплуатационных условиях А и Б — соответственно не более 0,035 и 0,036 Вт/(м·К).

Для газобетона Bonolit значения возрастают от 0,08 Вт/(м·°C) для D300 до 0,14 для D600. Это хорошо показывает влияние плотности пористого материала: чем меньше воздуха и больше твердого вещества приходится на объем, тем интенсивнее обычно проходит тепло.

Для обычной кирпичной кладки справочные значения находятся примерно в диапазоне 0,6–1,0 Вт/(м·К), тогда как у плотного кирпича показатель может превышать 1 Вт/(м·К).

У латуни диапазон принципиально другой. Например, для латуни с приблизительным составом 70 % меди и 30 % цинка приводятся значения порядка 100–120 Вт/(м·К) при комнатной температуре.

Для сравнения теплопроводности с нашими товарами таблица:

Коэффициент теплопроводности утеплителя

Для большинства эффективных строительных утеплителей λ находится примерно в области от 0,02 до 0,05 Вт/(м·К).

Разница в несколько тысячных кажется небольшой, но при больших площадях ограждающих конструкций или ограниченной толщине она влияет на требуемый слой теплоизоляции.

Допустим, нужны примерно одинаковые теплозащитные свойства. При λ = 0,040 Вт/(м·К) для получения R = 3 м²·К/Вт понадобится:

δ = 3 × 0,040 = 0,12 м, то есть 120 мм.

При λ = 0,032:

δ = 3 × 0,032 = 0,096 м, примерно 96 мм.

Это упрощенный расчет одного однородного слоя. В реальной стене учитываются остальные слои, теплопроводные включения, условия эксплуатации и требования нормативов.

Коэффициент теплопроводности минеральной ваты

Для строительных минераловатных изделий характерны низкие значения λ — примерно несколько сотых Вт/(м·К). Но говорить о едином коэффициенте для всей минеральной ваты нельзя.

На показатель влияют плотность, ориентация волокон, количество и тип связующего, температура и содержание влаги. У технической изоляции теплопроводность дополнительно часто указывается сразу при нескольких средних температурах.

Хороший пример зависимости дает каменная вата ROCKWOOL Klimarock: производитель приводит λ около 0,038 Вт/(м·К) при 10 °C, 0,040 при 20 °C, 0,047 при 50 °C и уже 0,060 при 100 °C.

Поэтому вопрос, какой коэффициент теплопроводности минваты лучше, имеет практичный ответ: при одинаковых условиях сравнения меньший λ обеспечивает большее термическое сопротивление при той же толщине.

Но сопоставлять λ10 одного материала с λ100 другого нельзя.

Коэффициент теплопроводности ПЕНОПЛЭКС

Для актуальных плит ПЕНОПЛЭКС ФУНДАМЕНТ, КОМФОРТ, ОСНОВА и ряда других серий производитель указывает λD не более 0,034 Вт/(м·К) при температуре испытания около 10 °C.

При условиях эксплуатации показатель может быть выше. Например, для ФУНДАМЕНТ заявлено не более 0,035 Вт/(м·К) для условий А и 0,036 для условий Б.

Это хороший пример того, почему для расчета стены не стоит брать первую найденную лабораторную цифру из рекламной таблицы. В проектном расчете должно использоваться значение, соответствующее реальным условиям работы материала.

Коэффициент теплопроводности газобетона

У газобетона большое влияние оказывает средняя плотность. Чем больше в структуре материала воздуха и меньше твердой фазы, тем ниже обычно λ.

Bonolit приводит для своих блоков следующие значения:

D300 — около 0,08 Вт/(м·°C);

D400 — 0,096;

D500 — 0,12;

D600 — 0,14.

Однако плотность связана не только с теплоизоляцией, но и с механическими свойствами. Поэтому марку газобетона нельзя выбирать исключительно по минимальной теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности кирпича

У кирпичной стены λ заметно выше, чем у специализированной теплоизоляции. На значение влияют сырье, плотность, количество и конфигурация пустот, влажность, раствор и качество кладки.

Для обычной кирпичной кладки справочные данные дают ориентир около 0,6–1,0 Вт/(м·К), а у более плотных изделий показатель может быть выше.

Поэтому стена из кирпича толщиной 100 мм и слой минеральной ваты такой же толщины имеют принципиально разное термическое сопротивление. Кирпич выполняет прежде всего конструкционные функции, а утеплитель создается именно для ограничения теплопотерь.

От чего зависит коэффициент теплопроводности материала

Для твердых однородных материалов λ связан прежде всего с химическим составом и внутренней структурой. Но у строительных материалов картина сложнее.

Пористость обычно снижает теплопроводность, поскольку поры заполнены воздухом. Поэтому газобетон проводит тепло значительно хуже тяжелого бетона, а волокнистая минеральная вата — хуже плотной минеральной породы.

Влажность чаще действует в обратную сторону. Когда часть воздуха в порах вытесняется водой, эффективная теплопроводность увеличивается. Именно поэтому расчетные характеристики теплоизоляции в эксплуатационных условиях могут быть хуже лабораторного значения сухого образца.

Плотность тоже имеет значение, но зависимость не всегда линейна. У одного семейства материалов увеличение плотности часто повышает λ, однако у волокнистых утеплителей существует диапазон плотностей, в котором структура оптимально ограничивает конвекцию и теплопередачу.

Температура способна менять свойства и самого вещества, и воздуха или газа внутри пор. Для теплоизоляции, работающей на горячем оборудовании, этим нельзя пренебрегать.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

Коэффициент λ не обязательно остается постоянным во всем диапазоне температур. Особенно хорошо это заметно у газов и высокотемпературной изоляции.

Для атмосферного воздуха теплопроводность растет с температурой. При нормальном давлении справочные значения выглядят примерно так:

У минеральной изоляции происходит похожий практический эффект: с увеличением средней температуры λ обычно возрастает. Например, у приведенного выше материала ROCKWOOL Klimarock показатель увеличивается приблизительно с 0,038 при 10 °C до 0,060 Вт/(м·К) при 100 °C.

Поэтому для изоляции трубопроводов, воздуховодов и оборудования особенно важно использовать значение теплопроводности именно для нужной средней температуры, а не характеристику при стандартных 10 или 25 °C.

Что такое температурный коэффициент теплопроводности

Иногда зависимость λ от температуры описывают формулой, например в приближенном виде:

λ(T) = λ₀ [1 + β(T − T₀)],

где λ₀ — коэффициент при исходной температуре, а β характеризует изменение теплопроводности с температурой.

Но одного универсального температурного коэффициента для строительных материалов нет. Зависимость может быть нелинейной, особенно в широком температурном диапазоне.

Поэтому в технической теплоизоляции производители часто поступают проще и надежнее: приводят таблицу λ при 10, 25, 50, 100, 150 °C и других температурах.

Теплопроводность и температуропроводность — в чем разница

Эти два понятия связаны, но описывают разные явления.

Теплопроводность λ показывает способность материала передавать тепловую энергию и измеряется в Вт/(м·К).

Температуропроводность α характеризует скорость, с которой изменение температуры распространяется внутри материала. Она измеряется в м²/с.

Связь выглядит так:

α = λ / (ρ · c),

где ρ — плотность, кг/м³, а c — удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).

Материал может сравнительно хорошо проводить тепло, но из-за высокой объемной теплоемкости его температура будет изменяться не так быстро, как можно ожидать только по λ. Поэтому температуропроводность учитывает не только теплопроводность, но и способность материала запасать тепло.

Коэффициент теплопередачи и теплопроводность — разница

Коэффициент теплопроводности относится непосредственно к материалу. Коэффициент теплопередачи характеризует всю конструкцию — например, наружную стену или стеклопакет.

Обычно коэффициент теплопередачи обозначают U и измеряют в Вт/(м²·К).

Если λ отвечает на вопрос «насколько хорошо проводит тепло этот материал», то U — «сколько тепла проходит через квадратный метр всей конструкции при разнице температур в один градус».

Для многослойной стены учитываются термические сопротивления отдельных слоев и сопротивления теплоотдаче на поверхностях. В простейшем представлении:

U = 1 / Rобщ.

Следовательно, для λ у утеплителя меньшая цифра обычно лучше, а для U ограждающей конструкции меньшая цифра также означает меньшие теплопотери.

Что такое коэффициент теплопроводности слоя изоляции

Физически λ относится к материалу, а не к толщине слоя. Поэтому корректнее говорить о коэффициенте теплопроводности материала изоляции и о термическом сопротивлении слоя.

Например, минеральная вата λ = 0,040 Вт/(м·К) остается тем же материалом независимо от того, уложено 50 или 150 мм. Но сопротивление слоя изменится втрое:

50 мм: R = 0,05 / 0,040 = 1,25 м²·К/Вт;

100 мм: R = 2,5 м²·К/Вт;

150 мм: R = 3,75 м²·К/Вт.

Это одна из причин, почему нельзя сравнивать эффективность стен только по коэффициенту λ без учета толщины.

Как определяют коэффициент теплопроводности

В лаборатории создаются контролируемые температурные условия и измеряется тепловой поток через образец известной толщины и площади.

Для строительных материалов одним из основных действующих документов остается ГОСТ 7076-99, устанавливающий метод определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления при стационарном режиме.

Существует и ГОСТ 30256-94, где применяется цилиндрический зонд и нестационарный тепловой режим. Стандарт распространяется на строительные материалы с теплопроводностью от 0,01 до 2 Вт/(м·К).

Для теплоизоляции ограждающих конструкций также действует ГОСТ Р 59985-2022, посвященный определению теплотехнических показателей материалов непосредственно при эксплуатационных условиях.

Разные методы нужны не потому, что у материала существует несколько «правильных» коэффициентов, а потому что теплотехническое поведение оценивается для разных задач и условий.

Какой коэффициент теплопроводности использовать в расчете

Если задача — просто сравнить два товара, можно смотреть на декларируемую теплопроводность, измеренную при одинаковой температуре.

Для расчета строительной конструкции предпочтительны показатели, предусмотренные применяемой нормативной методикой и соответствующие условиям эксплуатации. Особенно это важно для материалов, чувствительных к влажности.

В России расчет теплозащиты зданий связан с требованиями СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». В нормативных расчетах учитываются характеристики материалов в реальных условиях ограждающей конструкции, а не только идеальные показатели сухого лабораторного образца.

У производителей поэтому нередко присутствуют одновременно λD и значения λ для условий А и Б. Это не противоречащие друг другу данные — они предназначены для разных целей.

Как сравнивать теплоизоляционные материалы

Сначала нужно проверить, при какой температуре и по какой методике указан λ. После этого можно сравнивать значения при одинаковых условиях.

Затем следует учитывать требуемую толщину. Разница между 0,034 и 0,040 Вт/(м·К) реальна, но она не означает, что материал 0,034 всегда окажется лучшим решением для любой стены.

Для фасада могут оказаться важны паропроницаемость и пожарная безопасность, для плоской кровли — прочность на сжатие, для трубопровода — рабочая температура, а для подземных конструкций — водопоглощение.

Коэффициент теплопроводности показывает одну конкретную сторону материала — его способность проводить тепло. Именно поэтому он является главным теплотехническим параметром утеплителя, но не заменяет остальные технические характеристики.

Что важно знать о коэффициенте теплопроводности

Коэффициент теплопроводности обозначается λ и измеряется в Вт/(м·К). Для теплоизоляционных материалов меньшее значение обычно означает лучшую способность ограничивать передачу тепла при одинаковой толщине.

Сам коэффициент не зависит от толщины установленного слоя, зато от толщины напрямую зависит термическое сопротивление R = δ/λ.

Влажность, температура, плотность и структура способны менять теплопроводность. Поэтому сравнивать материалы следует при одинаковых условиях, а для проектного расчета использовать значения, предусмотренные технической документацией и нормативами.

Не стоит смешивать λ с коэффициентом теплопередачи U и температуропроводностью α. Первый относится к свойствам материала, второй описывает теплопередачу через конструкцию, а третий — скорость изменения температуры внутри материала.