Создание оптимального микроклимата и расход тепловой энергии на отопление частного дома в холодное время года во многом зависит от теплоизоляционных свойств строительных материалов, из которых возведена данная постройка. Одной из таких характеристик является теплоемкость. Это значение необходимо учитывать при выборе стройматериалов для конструирования частного дома. Поэтому далее будет рассмотрена теплоемкость некоторых строительных материалов.
Определение и формула теплоемкости
Каждое вещество в той или иной степени способно поглощать, запасать и удерживать тепловую энергию. Для описания этого процесса введено понятие теплоемкости, которая является свойством материала поглощать тепловую энергию при нагревании окружающего воздуха.
Чтобы нагреть какой-либо материал массой m от температуры t нач до температуры t кон, нужно будет потратить определенное количество тепловой энергии Q, которое будет пропорциональным массе и разнице температур ΔТ (t кон -t нач). Поэтому формула теплоемкости будет выглядеть следующим образом: Q = c*m*ΔТ, где с - коэффициент теплоемкости (удельное значение). Его можно рассчитать по формуле: с = Q/(m* ΔТ) (ккал/(кг* °C)).
Условно приняв, что масса вещества равна 1 кг, а ΔТ = 1°C, можно получить, что с = Q (ккал). Это означает, что удельная теплоемкость равна количеству тепловой энергии, которая расходуется на нагревание материала массой 1 кг на 1°C.
Вернуться к оглавлению
Использование теплоемкости на практике
Строительные материалы с высокой теплоемкостью используют для возведения теплоустойчивых конструкций. Это очень важно для частных домов, в которых люди проживают постоянно. Дело в том, что такие конструкции позволяют запасать (аккумулировать) тепло, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура достаточно долгое время. Сначала отопительный прибор нагревает воздух и стены, после чего уже сами стены прогревают воздух. Это позволяет сэкономить денежные средства на отоплении и сделать проживание более уютным. Для дома, в котором люди проживают периодически (например, по выходным), большая теплоемкость стройматериала будет иметь обратный эффект: такое здание будет достаточно сложно быстро натопить.
Значения теплоемкости строительных материалов приведены в СНиП II-3-79. Ниже приведена таблица основных строительных материалов и значения их удельной теплоемкости.
Таблица 1
Кирпич обладает высокой теплоемкостью, поэтому идеально подходит для строительства домов и возведенияия печей.
Говоря о теплоемкости, следует отметить, что отопительные печи рекомендуется строить из кирпича, так как значение его теплоемкости достаточно высоко. Это позволяет использовать печь как своеобразный аккумулятор тепла. Теплоаккумуляторы в отопительных системах (особенно в системах водяного отопления) с каждым годом применяются все чаще. Такие устройства удобны тем, что их достаточно 1 раз хорошо нагреть интенсивной топкой твердотопливного котла, после чего они будут обогревать ваш дом на протяжении целого дня и даже больше. Это позволит существенно сэкономить ваш бюджет.
Вернуться к оглавлению
Теплоемкость строительных материалов
Какими же должны быть стены частного дома, чтобы соответствовать строительным нормам? Ответ на этот вопрос имеет несколько нюансов. Чтобы с ними разобраться, будет приведен пример теплоемкости 2-х наиболее популярных строительных материалов: бетона и дерева. имеет значение 0,84 кДж/(кг*°C), а дерева - 2,3 кДж/(кг*°C).
На первый взгляд можно решить, что дерево - более теплоемкий материал, нежели бетон. Это действительно так, ведь древесина содержит практически в 3 раза больше тепловой энергии, нежели бетон. Для нагрева 1 кг дерева нужно потратить 2,3 кДж тепловой энергии, но при остывании оно также отдаст в пространство 2,3 кДж. При этом 1 кг бетонной конструкции способен аккумулировать и, соответственно, отдать только 0,84 кДж.
Но не стоит спешить с выводами. Например, нужно узнать, какую теплоемкость будет иметь 1 м 2 бетонной и деревянной стены толщиной 30 см. Для этого сначала нужно посчитать вес таких конструкций. 1 м 2 данной бетонной стены будет весить: 2300 кг/м 3 *0,3 м 3 = 690 кг. 1 м 2 деревянной стены будет весить: 500 кг/м 3 *0,3 м 3 = 150 кг.
- для бетонной стены: 0,84*690*22 = 12751 кДж;
- для деревянной конструкции: 2,3*150*22 = 7590 кДж.
Из полученного результата можно сделать вывод, что 1 м 3 древесины будет практически в 2 раза меньше аккумулировать тепло, чем бетон. Промежуточным материалом по теплоемкости между бетоном и деревом является кирпичная кладка, в единице объема которой при тех же условиях будет содержаться 9199 кДж тепловой энергии. При этом газобетон, как строительный материал, будет содержать только 3326 кДж, что будет значительно меньше дерева. Однако на практике толщина деревянной конструкции может быть 15-20 см, когда газобетон можно уложить в несколько рядов, значительно увеличивая удельную теплоемкость стены.
| Название | Cp
ж кДж/(кг °С) | Название | Cp
ж кДж/(кг °С) |
|---|---|---|---|
| Ацетон | 2,22 | Масло минеральное | 1,67…2,01 |
| Бензин | 2,09 | Масло смазочное | 1,67 |
| Бензол (10°С) | 1,42 | Метиленхлорид | 1,13 |
| (40С) | 1,77 | Метил хлорид | 1,59 |
| Вода чистая (0°С) | 4,218 | Морская вода (18°С) | |
| (10°С) | 4,192 | 0,5% соля | 4,10 |
| (20°С) | 4,182 | 3% соля | 3,93 |
| (40°С) | 4,178 | 6% соли | 3,78 |
| (60°С) | 4,184 | Нефть | 0,88 |
| (80°С) | 4,196 | Нитробензол | 1,47 |
| (100°С) | 4,216 | Парафин жидкий | 2,13 |
| Глицерин | 2,43 | (-10°С) | |
| Гудрон | 2,09 | 20% соли | 3,06 |
| Деготь каменноугольный | 2,09 | 30% соли | 2,64…2,72 |
| Дифенил | 2,13 | Ртуть | 0,138 |
| Довтерм | 1,55 | Скипидар | 1,80 |
| Керосин бытовой | 1,88 | Спирт метиловый (метанол) | 2,47 |
| Керосин бытовой (100°С) | 2,01 | Спирт нашатырный | 4,73 |
| Керосин тяжелый | 2,09 | Спирт этиловый (этанол) | 2,39 |
| Кислота азотная 100%-я | 3,10 | Толуол | 1.72 |
| Кислота серная 100%-я | 1,34 | Трихлорэтилен | 0,93 |
| Кислота соляная 17%-я | 1,93 | Хлороформ | 1,00 |
| Кислота угольная (-190°С) | 0,88 | Этиленгликоль | 2,30 |
| Клей столярный | 4,19 | Эфир кремниевой кислоты | 1,47 |
Удельная теплоёмкость - это , которое требуется затратить, чтобы нагреть 1 килограмм вещества на 1 градус по шкале Кельвина (или Цельсия).
Физическая размерность удельной теплоемкости : Дж/(кг·К) = Дж·кг -1 ·К -1 = м 2 ·с -2 ·К -1 .
В таблице приводятся в порядке возрастания значения удельной теплоемкости различных веществ, сплавов, растворов, смесей. Ссылки на источник данный приведены после таблицы.
При пользовании таблицей следует учитывать приближенный характер данных. Для всех веществ удельная теплоемкость зависит от температуры и . У сложных объектов (смесей, композитных материалов, продуктов питания) удельная теплоемкость может значительно варьироваться для разных образцов.
| Вещество | Агрегатное состояние | Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) |
| Золото | твердое | 129 |
| Свинец | твердое | 130 |
| Иридий | твердое | 134 |
| Вольфрам | твердое | 134 |
| Платина | твердое | 134 |
| Ртуть | жидкое | 139 |
| Олово | твердое | 218 |
| Серебро | твердое | 234 |
| Цинк | твердое | 380 |
| Латунь | твердое | 380 |
| Медь | твердое | 385 |
| Константан | твердое | 410 |
| Железо | твердое | 444 |
| Сталь | твердое | 460 |
| Высоколегированная сталь | твердое | 480 |
| Чугун | твердое | 500 |
| Никель | твердое | 500 |
| Алмаз | твердое | 502 |
| Флинт (стекло) | твердое | 503 |
| Кронглас (стекло) | твердое | 670 |
| Кварцевое стекло | твердое | 703 |
| Сера ромбическая | твердое | 710 |
| Кварц | твердое | 750 |
| Гранит | твердое | 770 |
| Фарфор | твердое | 800 |
| Цемент | твердое | 800 |
| Кальцит | твердое | 800 |
| Базальт | твердое | 820 |
| Песок | твердое | 835 |
| Графит | твердое | 840 |
| Кирпич | твердое | 840 |
| Оконное стекло | твердое | 840 |
| Асбест | твердое | 840 |
| Кокс (0…100°С) | твердое | 840 |
| Известь | твердое | 840 |
| Волокно минеральное | твердое | 840 |
| Земля (сухая) | твердое | 840 |
| Мрамор | твердое | 840 |
| Соль поваренная | твердое | 880 |
| Слюда | твердое | 880 |
| Нефть | жидкое | 880 |
| Глина | твердое | 900 |
| Соль каменная | твердое | 920 |
| Асфальт | твердое | 920 |
| Кислород | газообразное | 920 |
| Алюминий | твердое | 930 |
| Трихлорэтилен | жидкое | 930 |
| Абсоцемент | твердое | 960 |
| Силикатный кирпич | твердое | 1000 |
| Полихлорвинил | твердое | 1000 |
| Хлороформ | жидкое | 1000 |
| Воздух (сухой) | газообразное | 1005 |
| Азот | газообразное | 1042 |
| Гипс | твердое | 1090 |
| Бетон | твердое | 1130 |
| Сахар-песок | 1250 | |
| Хлопок | твердое | 1300 |
| Каменный уголь | твердое | 1300 |
| Бумага (сухая) | твердое | 1340 |
| Серная кислота (100%) | жидкое | 1340 |
| (твердый CO 2) | твердое | 1380 |
| Полистирол | твердое | 1380 |
| Полиуретан | твердое | 1380 |
| Резина (твердая) | твердое | 1420 |
| Бензол | жидкое | 1420 |
| Текстолит | твердое | 1470 |
| Солидол | твердое | 1470 |
| Целлюлоза | твердое | 1500 |
| Кожа | твердое | 1510 |
| Бакелит | твердое | 1590 |
| Шерсть | твердое | 1700 |
| Машинное масло | жидкое | 1670 |
| Пробка | твердое | 1680 |
| Толуол | твердое | 1720 |
| Винилпласт | твердое | |
| Скипидар | жидкое | 1800 |
| Бериллий | твердое | 1824 |
| Керосин бытовой | жидкое | 1880 |
| Пластмасса | твердое | 1900 |
| Соляная кислота (17%) | жидкое | 1930 |
| Земля (влажная) | твердое | 2000 |
| Вода (пар при 100°C) | газообразное | 2020 |
| Бензин | жидкое | 2050 |
| Вода (лед при 0°C) | твердое | 2060 |
| Сгущенное молоко | 2061 | |
| Деготь каменноугольный | жидкое | 2090 |
| Ацетон | жидкое | 2160 |
| Сало | 2175 | |
| Парафин | жидкое | 2200 |
| Древесноволокнистая плита | твердое | 2300 |
| Этиленгликоль | жидкое | 2300 |
| Этанол (спирт) | жидкое | 2390 |
| Дерево (дуб) | твердое | 2400 |
| Глицерин | жидкое | 2430 |
| Метиловый спирт | жидкое | 2470 |
| Говядина жирная | 2510 | |
| Патока | 2650 | |
| Масло сливочное | 2680 | |
| Дерево (пихта) | твердое | 2700 |
| Свинина, баранина | 2845 | |
| Печень | 3010 | |
| Азотная кислота (100%) | жидкое | 3100 |
| Яичный белок (куриный) | 3140 | |
| Сыр | 3140 | |
| Говядина постная | 3220 | |
| Мясо птицы | 3300 | |
| Картофель | 3430 | |
| Тело человека | 3470 | |
| Сметана | 3550 | |
| Литий | твердое | 3582 |
| Яблоки | 3600 | |
| Колбаса | 3600 | |
| Рыба постная | 3600 | |
| Апельсины, лимоны | 3670 | |
| Сусло пивное | жидкое | 3927 |
| Вода морская (6% соли) | жидкое | 3780 |
| Грибы | 3900 | |
| Вода морская (3% соли) | жидкое | 3930 |
| Вода морская (0,5% соли) | жидкое | 4100 |
| Вода | жидкое | 4183 |
| Нашатырный спирт | жидкое | 4730 |
| Столярный клей | жидкое | 4190 |
| Гелий | газообразное | 5190 |
| Водород | газообразное | 14300 |
| Название материала | Название материала | C, ккал/кг*С |
| ABS | АБС, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола | 0,34 |
| POM | Полиоксиметилен | 0,35 |
| PMMA | Полиметилметакрилат | 0,35 |
| Ionomer | Иономеры | 0,55 |
| PA6/6.6/6.10
| Полиамид 6/6.6/6.10 | 0,4
|
| PA 11 | Полиамид 11 | 0,58
|
| PA 12 | Полиамид 12 | 0,28 |
| Поликарбонат | 0,28 |
|
| PU
| Полиуретан
| 0,45 |
| PBT | Полибутилентерефталат | 0,3-0,5 |
| Полиэтилен | 0,55 |
|
| PET | Полиэтилентерефталат | 0,3-0,5 |
| PPO | Полифениленоксид | 0,4
|
| Карбоксиметилцеллюлоза, полианионовая целлюлоза | 0,27 |
|
| Полипропилен | 0,46 |
|
| PS (GP) | Полистирол | 0,28 |
| PSU | Полисульфон | 0,31 |
| PCV | Полихлорвинил | 0,2 |
| SAN (AS) | Смолы, сополимеры на основе стирола и акрилонитрита | 0,32 |
Принято считать, что любой песок подходит для проведения строительных работ. Но это не так. Во-первых, необходимо применять только специальные строительные виды. Во-вторых, необходимо учитывать их индивидуальные особенности.
Удельный вес и теплоемкость этого материала играют немаловажную роль при выборе одного из его видов, о них и будет рассказано в этой статье.
Классификация
Его удельные характеристики и зависят от вида материала. Существует несколько его разновидностей. По происхождению подразделяется на природный и искусственный. Первый вид в зависимости от места добычи имеет следующие разновидности:
Карьерный
Карьерный песок добывается в результате разрушения горных пород. Его зерна могут быть от 0,16 до 3,2 мм. Из-за особенностей добычи Получается невысокого качества, так как содержит множество примесей в виде глины и пыли.
Дробленый
Получается за счет разрушения и измельчения горных пород. Этот процесс происходит на специальном оборудовании, поэтому добыча этого песка отражается на его высокой стоимости. Из-за получаемой неправильной формы песчинки хорошо связываются между собой и другими строительными веществами. При добавлении такого материала уменьшается расход бетона. 
Применение : Его используют для бетонных конструкций, при заливке дорог и тропинок, а также в качестве наполнителя для сухих смесей.
Вышеперечисленные разновидности песка различаются окраской. Так, карьерный имеет желтый и коричневый оттенок, а речной встречается кремового и серого цвета.
Искусственный
Считается таковым, потому как проходит специальную обработку, после которой получается материал, отличающийся по свойствам от своего оригинала. Создается дроблением природных камней. 
Кварцевый
Является самым востребованным из всех искусственных видов. Его получают в результате измельчения белого кварца. После определенной обработки производится однородный состав без примесей. Эта его особенность дает возможность рассчитать точные размеры будущей конструкции. 
Применение : кварцевый вид широко используется в отделочных и декоративных работах, иногда его добавляют при создании цементного раствора, но это происходит крайне редко. Обычно он входит в состав красок, шпатлевки и дренажных фильтров.
Существует также формовочный песок, его используют во время формовки в металлических моделях.
Определение величины
Это величина равна массе, помещающейся в единице объема. Проще говоря – плотность. Чаще всего в справочной литературе измеряется в г/см 3 или кг/ м 3 .
Удельный вес песка зависит от количества, содержащихся в нем примесей и влУажности материала. Большое содержание воды увеличивает удельный вес, приходящийся на единицу объема. Также этот показатель будет зависеть от места хранения песка, которое бывает:
- естественного залегания;
- расположение материала насыпом;
- искусственного уплотнения.
Один и тот же вид песка при этих условиях будет иметь разные значения.
По ГОСТ 8736-77 указано, что удельный вес строительного песка может колебаться от 1150 до 1700 кг/м 3 .
В таблице для примера приведено несколько значений отдельных его разновидностей.
| Вид песка | Удельный вес в кг/1 м 3 |
| Речнойнамывнойуплотнительный | 1200-1700 |
| 1650 | |
| 1590 | |
| Карьерный | 1500 |
| Морской | 1620 |
| Кварцевый | 1600-1700 |
| Мокрый | 1920 |
Теплоемкость
Это способность материала принимать, накапливать и удерживать энергию. Теплоемкость является показателем теплофизических свойств песка. Способность нагреваться зависит от химического состава, структуры и количества применяемого материала. Поэтому общий показатель будет зависеть от его сухости. Важен для цементных составов и при бетонировании стен.
| Разновидность песка | Удельная теплоемкость в кДж/кг на 1 0 |
| Мокрый кварцевый | 2,09 |
| Речной сухой | 0,8 |
| Карьерный | 0,84 |
| Морской |
Песок считается самым распространенным материалом , который используется во всех сферах жизнедеятельности человека особенно в строительстве. Вряд ли найдется современное здание, где бы ни применялся песок, как составляющий материал. Его используют для бетонной смеси или обычного раствора для кладки кирпичной стены. О теплоемкости песка пойдет речь в статье.
Достоинства
Песок обладает рядом достоинств, благодаря которым здание эксплуатируется долгие годы. К основным можно отнести:
- сейсмоустойчивость;
- хорошо переносит резкие перепады температур, от сильных морозов до жаркого климата;
- низкое сжатие материала, помогает размещать на нем тяжелое основание, а заодно дополнительно амортизировать всю постройку. Это особо актуально в районах с частыми землетрясениями;
- водопроницаемость, которая позволяет проводить очистку многих жидкостей;
- широкий спектр применения в других областях.
Для удобства определения теплоемкости материала, в данном случае песка, используются готовые таблицы, в которых приведены расчеты. Их и применяют строители для проведения вычислений.
Теплопроводность также является важным значением,
учитываемым при планировании теплоизоляционных работ. Подбор правильного материала очень важен, от него зависит, какое количество тепловой энергии вам придется затрачивать на обогрев готового помещения.
Главная проблема, это низкая теплоемкость песочного материала и готовое помещение, особенно если это жилой дом, требует дополнительной теплоизоляции. Теплопроводность зависит от плотности самого материала. Еще одним важным моментом является влажность песка.
Как указано в таблице ниже, при ее повышении увеличивается и теплопроводность песочного материала.
Таблица – выражение основных параметров теплопроводности песка
Данная таблица поможет как начинающим строителям, так и тем, кто не новичок в этом деле, быстро и точно рассчитать необходимое количество песочного материала для будущей застройки. а теплоемкость 840 Джкг*град.
Если используется влажный речной песок, то параметры будут такие: масса от 1900 кгм3 имеет теплопроводность 0,814 Вт м*град, а теплоемкость 2090 Джкг*град.
Все эти данные взяты из различных пособий о физических величинах и теплотехнических таблиц, где приведены многие показатели именно для строительных материалов. Так что полезным будет иметь такую книжечку у себя.
Какой песок лучше всего использовать для изготовления бетона?
Повсеместное использование песка в строительных работах позволяет расширить круг применения. Он является универсальным средством для приготовления различного вида раствора:
- для бетонных смесей;
- на ;
- стен;
- укладку стен блоками или кирпичом ;
- заливку несущих пли;
- изготовление монолита.
Перечислять можно еще, главное понять суть. Но при возведении различного рода конструкций используется песок с различным составом и свойствами.
Уникальное свойство, перехода из рыхлого состояния в плотное. Позволяет использовать этот материал для защитной и естественной амортизации основы строения.
Если выделять производственную составляющую бетона, то здесь строительные организации да и частные строители отдают предпочтение именно речному песку. Его свойства позволяют начать использование без дополнительных манипуляций вроде промывки, как например карьерного.
Самым чистым среди добываемых песков является тот, который добывается со дна действующих рек. Он проходит дополнительный промывочную обработку и может сразу же использоваться по назначению. Однородная масса и отсутствие лишних примесей делают этот вид песка самым востребованным, несмотря на стоимость.
– особенный материал и требует точного расчета пропорций составляющих, а его качество зависит от наличия глинистых пород в песке. Ведь свойства глины в обволакивании песчинок добытого материала, что напрямую воздействует на качественное сцепление песка с другими составляющими бетонной смеси, в числе которых цемент.
По характеристикам песок еще делится на классы :
- первый класс;
- второй класс;
- специальные пески.
Каждая из перечисленных групп используется для применения бетонных изделий, но только для узкого круга. Так, например, первый класс используется для отливки бетона, чьими основными характеристиками является:
- качество;
- высокая сопротивляемость к внешним воздействиям;
- резкие перепады температуры, в числе которых морозостойкость.
Пески, относящиеся ко второму классу, применяются лишь для изготовления материалов, не требующих повышенной влагостойкости, например для плитки или облицовочных конструкций.
Специальные песчаные смеси необходимы при возведении бетонных или железобетонных конструкций. Подобные смеси позволяют усилить ряд показателей на сжатие и устойчивость к перепадам атмосферных сред.
Более подробно о свойствах и применении песка смотрите на видео:
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/(м ³·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:
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
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.
Математические упражнения
Для расчёта теплопотерь и системы отопления своего будущего дома я использовал специализированный программный продукт по расчёту элементов инженерных систем "VALTEC" от некоего ООО "Веста-Трейдинг". Программа VALTEC.PRG находится в открытом доступе и дает возможность рассчитать водяное радиаторное, напольное и настенное отопление, определить теплопотребность помещений, необходимые расходы холодной, горячей воды, объем канализационных стоков, получить гидравлические расчеты внутренних сетей тепло- и водоснабжения объекта. Так вот, используя эту чудесную бесплатную программку я высчитал, что теплопотери моего дома площадью в 152 квадратных метра составляют чуть менее 5 кВт тепловой энергии. В сутки выходит 120 кВт·ч или 432 МДж теплоты. Если допустить, что я буду использовать водяной теплоаккумулятор, который каким-либо источником тепла один раз в сутки разогреется до 85°С и будет постепенно отдавать тепло в систему тёплых полов до температуры 25°С (ΔT=60 °С), то для накопления 432 МДж теплоты мне потребуется ёмкость m=Q/(C·ΔT) , 432/(4,184·60)=1,7 м³.
А что было бы, если бы я установил в доме кирпичную печь, например. Разогретый в топке до 500°С кирпич весом в 1 тонну полностью компенсирует теплопотери моего дома в течение суток. При этом объём кирпича будет около 0,5 кубометра.
Особенностью моего проекта дома (в общем-то ничего особенного) является отопление тёплым водяным полом. Труба теплоносителя будет заложена в 7-и сантиметровый слой бетонной стяжки под всей площадю пола (152 м²) - это 10,64 м³ бетона! Под бетонной стяжкой планируется деревянное перекрытие по балкам с 25-ю сантиметрами пенополистирольного утеплителя - можно сказать, что через такой пирог утепления 1 м² пола будет терять тепла около 4 Вт, чем, конечно, можно смело пренебреч. Какова же будет теплоёмкость пола? При температуре теплоносителя 27°С бетонная стяжка впитает в себя 580 МДж теплоты, что эквивалентно 161 кВт·ч энергии и с лихвой перекрывает суточную потребность в тепле. Иными словами, зимой при -20°С (именно на такие температуры делался расчёт теплопотерь дома) мне нужно будет раз в два дня подогревать до 27°С пол, а если установить дополнительный водяной теплоаккумулятор на 1000 литров - то и вовсе раза два в неделю будет работать котёл!
Вот такая она, теплоёмкость при очень поверхностном рассмотрении.
Теплоусвоение
Коэффициент теплоусвоения (англ. U-value) отражает способность материала воспринимать теплоту при колебании температуры на его поверхности или, иными словами, этот коэффициент S показывает способность поверхности материала площадью в 1 м² усваивать теплоту в течение 1 с при температурном перепаде в 1 °С. Как это можно понять из повседневной жизни? Если приложить одновременно обе руки к двум поверхностям из бетона и пенопласта, имеющим одинаковую температуру, то первая будет восприниматься как более холодная - эксперимент ещё со школьных уроков физики. Это ощущение вызывается тем, что бетонная поверхность более интенсивно отбирает (усваивает) тепло от руки, чем пенопластовая, так как бетон имеет больший коэффициент теплоусвоения (Sбетона=18 Вт/(м²·°С), Seps=0,41 Вт/(м²·°С)), не смотря на то, что удельная теплоёмкость пенопласта в полтора раза больше, чем бетона.
Величина коэффициента теплоусвоения S материалов при периоде колебания теплового потока 24 ч пропорциональна коэффициенту теплопроводности λ , Вт/(м·K), удельной теплоёмкости с , Дж/(кг·K), и плотности материала ρ , кг/м³, и обратно пропорциональна периоду тепловых колебаний T , с (формула слева). Но в строительной практике используются формулы, учитывающие действие массового отношения влаги в материале и климатические условия эксплуатации. Дабы не загромождать вас ненужной инфой, предлагаю использовать уже вычисленные табличные данные из СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника" . Наиболее интересные я собрал в небольшую табличку.
Теплоизоляционные материалы высокой эффективности (меньшим коэффициентом теплопроводности) обладают весьма низким коэффициентом теплоусвоения, т.е. при изменении температуры поверхности отнимают меньшее количество тепла и поэтому активно применяются для изоляции сооружений и аппаратов с резко переменным режимом работы.
Колебания температуры на наружной поверхности материала вызывают в свою очередь и колебания температуры в самом материале, причём они будут постепенно затухать в толще материала.
О теплоусвоении материалов я в процессе стройки ещё не слышал ни от одного строителя - может сложиться впечатление, что это некий теоретический и не очень важный параметр. Однако это не так - теплоусвоение материалов внутренней отделки, например полов, напрямую влияет на ощущение комфорта. Сможете ли вы комфортно ходить по полу босиком, или весь год придётся носить тапочки? Для полов существуют нормы по предельному коэффициенту теплоусвоения. Нормативная величина теплоусвоения покрытия для полов жилых зданий, больничных учреждений, диспансеров, поликлиник, общеобразовательных и детских школ, детских садов - не более 12 Вт/(м2-°С); для полов общественных зданий, кроме вышеуказанных, вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий, участков с постоянными рабочими местами в отапливаемых производственных зданиях, где выполняются легкие физические работы (категория I) - не более 14 Вт/(м2-°С); для полов в отапливаемых помещениях производственных зданий, где выполняются физические работы средней тяжести (категория II) - не более 17 Вт/(м2-°С).
Показатель теплоусвоения не нормируется: в помещениях с температурой поверхности пола выше 23 °С; в отапливаемых производственных помещениях, где выполняются тяжелые физические работы (категория III); в производственных зданиях, если на участки пола постоянных рабочих мест укладывают деревянные щиты или теплоизолирующие коврики; в общественных зданиях, эксплуатация которых не связана с постоянным пребыванием в них людей (залы музеев и выставок, фойе театров и киноте" атров и т. п.).
Тепловая инерция
Тепловая инерция, это способность ограждающей конструкции сопротивляться изменению температурного поля при перемененных тепловых воздействиях. Она определяет количество волн температурных колебаний, располагающихся (затухающих) в толще ограждения.
Параметр теплоусвоения неразрывно связан с тепловой инерцией материалов. На рисунке, иллюстрирующем прохождение температурных волн в толще материала можно видеть длину волны, обозначенную как l . Число таких волн, располагающихся в толще ограждения, является показателем тепловой инерции ограждения. Численная величина этого показателя имеет название "массивности ограждения" и обозначается D. Она равна для однородного ограждения произведению его термического сопротивления R на коэффициент теплоусвоения материала S: D=RS.
D - величина безразмерная. В ограждении, имеющем D=8.5, располагается около одной целой температурной волны. При D < 8,5 в ограждении распологается неполная волна (т.е. запаздывание колебаний на внутренней поверхности по отношению к колебаниям на наружней поверхности менее одного периода; при Т=24 часа запаздывание менее суток), а при D > 8,5 - в толще распологается более одной температурной волны.
Для многослойных ограждений его массивность определяется как сумма массивности отдельных слоёв:
D=R1S1+R2S2+....RnSn, где
R1, R2, Rn - термическое сопротивление отдельных слоёв,
S1, S2, Sn - расчётные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоёв конструкции.
Ограждение считается:
Безынерционным при D < 1,5;
"Лёгким" при D от 1,5 до 4;
"Средней массивности" при D от 4 до 7;
"Массивным" при D > 7.
Интересно сравнить "массивность" D ограждения из, например, 20 см пенополистирола ПСБ-25 и глиняного кирпича:
D eps=R (0.2/0.035) * S (0.41)=2.34 (похолодание на улице скажется на температуре внутри примерно через 6,6 часов)
D кирпич=R (0.2/0.7) * S (9.2)=2.63 (похолодание на улице скажется на температуре внутри примерно через 7,5 часов)
Видим, что кирпичная кладка "массивнее" пенопласта лишь на 12% ! Интересный результат, но нужно отметить, что в реальности обычно используют более тонкую теплоизоляцию из пенопласта (стандартная СИП-панель - 15см EPS), а из кирпича делают более толстые стены. Так, при толщине кирпичной стены в 60 см параметр D=7.9 а это уже "массивное" строение во всех смыслах этого термина, температурная волна через такую стену будет проходить около 22 часов.
Тепловая инерция - безусловно, любопытное явление, но как его учитывать при подборе утеплителя? Мы можем представлять себе физический процесс прохождения тепловой волны через наш утеплитель, но если посмотрим на температуру внутренней поверхности (Tse), её амплитуду (A) и потери тепла (Q), то становится несколько не понятно, как этот параметр (D) может влиять на выбор. Например, возьмём толщину 30см:
Кирпичная стена D=3.35, A=2°C, Tse=15°C, Q=31;
Пенополистирол D=3.2, A=0.1°C, Tse=19,7°C Q=2.4;
Очевидно, что при почти равной тепловой инерции с пенопластом будет заметно теплее! Однако, тепловая инерция оказывает влияние на так называемую теплоустойчивость зданий. Согласно "Строительной теплотехнике " при расчётах тебуемых сопротивлений теплопередаче расчётная зимняя температура наружного воздуха зависит именно от тепловой инерции! Чем выше тепловая инерция, тем меньшее влияние оказывает резкое изменение температуры наружнего воздуха на стабильность внутренней температуры. Эта зависимость имеет следующий вид:
D <=1,5: Расчётная зимняя температура tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 98%;
1.5 < D < 4: tн равна температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 92%;
4 < D < 7: tн равна средней температуре наиболее холодных ТРЁХ суток;
D >7: tн равна средней температуре наиболее холодных ПЯТИ дней обеспеченностью 92%.
Как ни странно, но в этом же документе нету средней температуры наболее холодных трёх суток, но в СНиПе 23-01-99 есть пункт "температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 98%, я думаю, её вполне можно использовать для расчёта. Табличка слева (как всегда, есть расхождения в документах ). Поясню на примере:
Мы строим каркасный дом в Бресте, и утепляем его 15 см минваты. Тепловая инерционность конструкции D=1,3. Это значит, что во всех расчётах температуру наружного воздуха нам стоит принимать -31°С.
Мы строим дом в Бресте из газобетона толщиной 30 см. D=3,9. Температурные расчёты теперь мы можем проводить для -25°С.
Напоследок мы строим в Бресте дом из пущанского бруса диаметром 30 см. D=9,13. Его инерционность позволяет производить тепловые расчёты для температур не ниже -21°С.
Массивные теплоемкие стены летом могут выполнять функцию пассивного регулятора температуры в помещениях за счет суточной разницы температур. Остывшие за ночь стены охлаждают днем поступающий с улицы жаркий воздух, и наоборот. Такая регуляция полезна, когда среднесуточная температура воздуха комфортна для человека. Но если ночью не слишком прохладно, а днем очень жарко, то без кондиционера в каменном доме уже не обойтись. Зимой массивные наружные стены в качестве регулятора климата абсолютно бесполезны. Зимой холодно днем и ночью. Если дом отапливается не постоянно, а периодически, например, дровами, то в качестве аккумулятора тепла нужна массивная каменная печь, а не кирпичные наружные стены. Чтобы зимой наружные стены стали аккумулятором тепла их нужно хорошо утеплить снаружи! Но тогда летом эти стены уже не смогут быстро охладиться за ночь. Это будет тот же каркасный дом с утеплителем, но с внутренним аккумулятором тепла.
Для наглядной визуализации термических процессов, происходящих в толще однородного материала, я сделал интерактивную флешку, в которой можно подёргать входную и выходную температуры, поменять толщину материала в некоторых пределах и выбрать (из небольшого списка самых интересных с моей точки зрения) сам материал. Часть математики во флешке построена на формулах из СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника", и может немного расходится с другими моими же примерами в силу чрезвычайно разнообразных данных по характеристикам одного и того же материала, по разнообразным требованиям к микроклимату от источника к источнику (СНиПы, КТП), и даже с расчётами во всяких методичках в силу произвольного округления как в методичках, так и с моей стороны=) Все расчёты, так сказать, ознакомительные.
