В строительстве очень важной характеристикой является теплоемкость строительных материалов. От нее зависят теплоизоляционные характеристики стен постройки, а соответственно, и возможность комфортного пребывания внутри здания. Прежде, чем приступить к ознакомлению с теплоизоляционными характеристиками отдельных строительных материалов, необходимо понять, что собой представляет теплоемкость и как она определяется.

Удельная теплоемкость материалов

Теплоемкость – это физическая величина, описывающая способность того или иного материала накапливать в себе температуру от нагретой окружающей среды. Количественно удельная теплоемкость равна количеству энергии, измеряемой в Дж, необходимой для того, чтобы нагреть тело массой 1 кг на 1 градус.
Ниже представлена таблица удельной теплоемкости наиболее распространенных в строительстве материалов.

• вид и объем нагреваемого материала (V);
• показатель удельной теплоемкости этого материала (Суд);
• удельный вес (mуд);
• начальную и конечную температуры материала.

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость материалов, таблица по которой приведена выше, зависит от плотности и коэффициента теплопроводности материала.

А коэффициент теплопроводности, в свою очередь, зависит от крупности и замкнутости пор. Мелкопористый материал, имеющий замкнутую систему пор, обладает большей теплоизоляцией и, соответственно, меньшей теплопроводностью, нежели крупнопористый.

Это очень легко проследить на примере наиболее распространенных в строительстве материалов. На рисунке, представленном ниже, показано каким образом влияет коэффициент теплопроводности и толщина материала на теплозащитные качества наружных ограждений.

Поэтому нельзя доверять исключительно показателю относительной плотности материала, а стоит учитывать и другие его характеристики.

Сравнительная характеристика теплоемкости основных строительных материалов

Для того, чтобы сравнить теплоемкость наиболее популярных строительных материалов, таких дерево, кирпич и бетон, необходимо рассчитать величину теплоемкости для каждого из них.

В первую очередь нужно определиться с удельной массой дерева, кирпича и бетона. Известно, что 1 м3 дерева весит 500 кг, кирпича – 1700 кг, а бетона – 2300 кг. Если мы берем стенку, толщина которой составляет 35 см, то путем нехитрых расчетов получим, что удельная масса 1 кв.м дерева составит 175 кг, кирпича – 595 кг, а бетона – 805 кг.
Далее выберем значение температуры, при которой будет происходить накопление тепловой энергии в стенах. Например, это будет происходить в жаркий летний день с температурой воздуха 270С. Для выбранных условий рассчитываем теплоемкость выбранных материалов:

1. Стена из дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер=2,3х175х27=10867,5 (кДж);
2. Стена из бетона: С=СудхmудхΔТ; Сбет=0,84х805х27= 18257,4 (кДж);
3. Стена из кирпича: С=СудхmудхΔТ; Скирп=0,88х595х27= 14137,2 (кДж).

Из произведенных расчетов видно, что при одинаковой толщине стены наибольшим показателем теплоемкости обладает бетон, а наименьшим – дерево. О чем это говорит? Это говорит о том, что в жаркий летний день максимальное количество тепла будет накапливаться в доме, выполненном из бетона, а наименьшее – из дерева.

Этим объясняет тот факт, что в деревянном доме в жаркую погоду прохладно, а в холодную погоду тепло. Кирпич и бетон легко накапливают в себе достаточно большое количество тепла из окружающей среды, но так же легко и расстаются с ним.

Для создания комфортных условий в помещении необходимо, чтобы стены обладали высоким показателем теплоемкости и низким коэффициентом теплопроводности. В этом случае стены дома будут в состоянии накапливать тепловую энергию окружающей среды, но при этом препятствовать проникновению теплового излучения внутрь помещения.

Прямо противоположные мнения, по сути следующие:
- мнение, основанное на реальных физических процессах, на законах. Теплопроводность - однозначно полезное качество.
- мнение людей, втянутых в процесс производства продаж и строительства с применением материалов, имеющих плохую теплопроводность. Именно отсюда вырастает бред про " с точки зрения физики" и "синусоиду нестабильности".
Единственный процесс, при котором теплоемкость ухудшает ситуацию: быстрый прогрев помещений. Но и тут "фанаты" минват и "канадских" каркасов лукавят: обычно представляются цифры прогрева всей конструкции. Мол, дом из бруса нагреется за Х часов, а из минваты раз в осьнадцать быстрее. Но комфортная температура в помещении будет уже при прогреве некоторого небольшого внутреннего слоя стен и перекрытий. И не нужно дожидаться прогрева всей конструкции.
Идем дальше. Дача. Вроде как для приездов на выходные в холодный период года лучше, если она нагревается быстрее. Т. е. теплоемкость большая - во вред. Но разве дача используется только в холодный период? А летом?
А летом жарко. И дом с плохими показателями теплоемкости гораздо хуже сохраняет прохладу. Фазовый сдвиг у каркасника, утепленного каким-нибудь базальтом, минимальный. И в таком доме жару без кондиционера не победить. А в доме с хорошей теплоемкостью кондиционер совсем не обязателен.
Теперь про то, что "платить за обогрев будете одинаково". Рассмотрим некий период с устоявшимися температурами. Днем температура выше, ночью ниже. Что будет в доме с низкой теплоемкостью? Температура внутри помещений будет также "гулять" с достаточно большой амплитудой. Для того чтобы она оставалось комфортной, ее нужно регулировать.
1. Вручную. При этом неизбежны ситуации, когда в доме будет вырабатываться избыточное тепло:
- при росте температуры на улице уменьшается разница температур, тепло отдается через стены с высокой скоростью, а обогреватель, пока Вы не изменили его настройку, производит его столько же. Тепла, а следовательно топлива, расходуется больше.
- ночью идет падение уличной температуры. И чтобы не вставать среди ночи, необходимо делать настройку с запасом, иначе тепла от обогревателя к утру станет недостаточно.
2. Некоей АСУ. Но за нее надо заплатить. За регулятор, за исполнительные устройства и датчики, за прокладку проводки к этим устройствам.
А теперь берем дом с хорошей теплоемкостью. Даже при печном отоплении температура в доме остается комфортной.
В таком доме гораздо проще регулировать поддержание теплового режима. В том числе и в автоматическом режиме.
Причем, обратное утверждают исключительно те, кто вовлечен в бизнес, связанный с материалами, умеющими только утеплять (минваты, пенопласты и т. п.).

Совершенно верно, что это чушь.
Дабы не быть голословным, вставлю графики, отображающие, как реагируют 200мм минваты и сосны на уличную жару летом.

*Теплопроводность - однозначно полезное качество.*
Весьма убедительно!

*Именно отсюда вырастает бред про " с точки зрения физики" и "синусоиду нестабильности".*

Круто! И не менее убедительно!

*Даже при печном отоплении температура в доме остается комфортной.*

Опять достойный "АргУмент" .Конечно же, мы Вам верим! Тут, на форуме, никто и никогда и не слышал, и не жил в доме с печью.

*В таком доме гораздо проще регулировать поддержание теплового режима. В том числе и в автоматическом режиме.*

Все так же убедительно.

*Совершенно верно, что это чушь.*

Здорово Вы всех тут построили и порядок навели.

Логически понять этот параметр несложно: способность стены накапливать в себе тепловую энергию. Совершенно ясно, что чем больше стена может накопить в себе тепла, тем больше она его сможет отдать.

Ни в одном рекламном проспекте фирмачей я не встречал указания на этот параметр, всюду он умалчивается. Почему? Совершенно очевидно, что все проекты, как правило, рассчитаны на постоянное отопление. В этом случае, действительно, теплоемкость стены мало влияет на микроклимат жилища.

Теплопотери через стены всегда есть. При постоянном отоплении, при постоянном поддержании температуры в помещениях эти теплопотери также постоянно восполняются системой отопления. Конструкция системы отопления в данном случае неважна, будь это централизованное отопление или постоянно пыхтящий газовый котел.

Но Россия - это далеко не Москва и ее область. 40% населения страны отапливают свои частные дома древним, испытанным способом: печью. О преимуществах и недостатках того или другого способа отопления будет другая моя книга, здесь тоже есть о чем сказать. А сейчас можно справедливо констатировать, что клиент, обращающийся в стройфирму и выбирая проект своего дома из предлагаемых, говоря по-простому, часто накалывается именно на этом.

Печное отопление - это периодическое отопление. Печь протапливается, накапливает в своей толще тепловую энергию и впоследствии постепенно отдает ее в дом. Даже если в печь вмонтирован водяной котел и сделана разводка по батареям, суть не меняется. Это отопление все равно остается периодическим.

Вот здесь общая теплоемкость всех составляющих построенного дома имеет весьма важное значение. Чем больше эта теплоемкость, тем выше инерционность микроклимата в жилых помещениях.

Если общая теплоемкость мала, температура в помещениях при протапливании печи поднимается быстро, часто значительно превышая комфортную. Стараясь нагреть печь, хозяин топит ее подольше, в результате в доме становится жарко. Настолько же быстро температура и падает после окончания протопки в зависимости от теплопотерь стен, окон, перекрытий, вентиляции. Печь, хотя и обладает определенной теплоемкостью, не способна накопить достаточно тепла для более длительного поддержания комфортной температуры.

Другое дело, если к теплоемкости печи добавляется значительная теплоемкость стен. При протопке печи она препятствуют "зашкаливанию" температуры, отбирая часть тепловой энергии из воздуха и накапливая ее в своей толще. И после протопки накопленное тепло возвращается в помещения более длительное время. В этом и состоит инерционность.

Планируя дом с печным отоплением, никогда нельзя забывать о теплоемкости стен, вообще об общей теплоемкости всех составляющих. Железобетонные перекрытия, например, тоже весьма теплоемкая часть. Это же касается и перегородок: если они выполнены из кирпича, то конечно же они обладают гораздо бОльшей теплоемкостью, нежели деревянные каркасы.

Вобщем, надо стремиться к такому варианту, который обеспечит максимальную общую теплоемкость всех составляющих конструкции дома. Повторюсь: этот параметр чрезвычайно важен в доме с периодическим отоплением, и не столь важен при постоянном. Хотя, в нашем обществе с его катаклизмами нередки варианты всяческих аварий с прекращением подачи тепла, и здесь более жизнестойкими опять же оказываются именно теплоемкие дома...

Итак, как же определяется теплоемкость стен? Для этого также используется СНиП II-3-79 . Согласно этому нормативу каждый материал обладает своим коэффициентом теплоемкости. Количество же тепла, которое способен накопить материал рассчитывается с применением двух параметров: плотности материала и его коэффициента теплоемкости. То есть, необходимо плотность материала умножить на коэффициент.

Вот выборка по значениям теплоемкости для некоторых материалов из этого норматива с уже рассчитанным третьим параметром, определяющим способность материала к накоплению тепловой энергии. Таблица отсортирована по возрастанию этого расчетного параметра.

Совершенно очевидно, что наименее теплоемкий материал - пенополистирол, а наиболее, как оказывается - древесно-стружечная плита. И в этом ничего удивительного, поскольку при своей плотности она обладает высоким коэффициентом теплоемкости.

Руководствуясь этой таблицей, мы всегда можем определить и теплоемкость 1 квадратного метра стены. Следует оговориться, что в данном случае нас интересует не общая ее теплоемкость, а теплоемкость внутренней ее части, поскольку тепло от той же печи накапливает именно внутренняя поверхность стены, но никак не наружная, граничащая с внешним воздухом.

И еще: вычисляемое нами значение теплоемкости - всего лишь ориентировочное значение, так как сама температура стены в разных ее точках по толщине, безусловно, разная. Однако, для сравнительного анализа такого подхода вполне достаточно, чтобы определиться с конструкцией будущей стены. Ведь мы не ставим себе задачу определения точной теплоемкости, нам важно знать лишь преимущество одной конструкции перед другой в плане теплоемкости.

По примеру трехслойной стены в предыдущей главе мы вполне можем оценить ее полезную теплоемкость. 1 квадратный метр внутренней стенки, состоящей из бетона и толщиной 10 см будет обладать значением:
T = 0,1 * 2100 = 210 кДж/м 2 * o C
где 0,1 - толщина стенки,
2100 - третий параметр по таблице для бетона.

На рисунке слева на стену воздействует теплый воздух помещения, справа - холодный наружный воздух. При расчете средний слой, пенополистирол, во внимание не принимаем, поскольку он обладает очень малым коэффициентом теплоемкости, а наружный слой бетона вообще не принимает участия в накоплении тепла, поскольку отгорожен от источника тепловой энергии утеплителем.

А вот другая схема стены, где слой бетона расположен между двумя слоями утеплителя. О достаточной полезной теплоемкости здесь судить не приходится, поскольку самый теплоемкий материал (бетон) отгорожен от внутренних помещений утеплителем. Если учитывать пенополистирол, то 1 кв метр стены сможет накопить тепла всего лишь
T = 0,1 * 54 = 5,4 кДж/м 2 * o C,
то есть, почти в 40 раз меньше, чем по первой схеме.

Еще раз повторюсь, что показанные расчеты всего лишь преследуют цель сравнения разных схем на предмет способности накопления тепловой энергии и не являются точными.

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.

В доме должно быть теплоемко! Теплоемкость – способность материалов аккумулировать тепло. Теплоемкими называют тяжелые материалы, способные хранить много тепла. Разогреваясь, они действуют как аккумулятор энергии — долго остывают, согревая все вокруг. Наличие таких материалов внутри дома сглаживает скачки температуры и влажности, повышает комфорт.

Какой должна быть температура и влажность в доме

Оптимальная влажность внутри дома — 50 – 60%. Но зимой, при работающем отоплении, происходит осушение воздуха до 40 и даже 30 %. В межсезонье на улице и внутри дома часто повышенная влажность….

Уровень влажности внутри дома на 90% регулируется вентиляцией и сквозняками. Немного пара может просачиваться в обе стороны через ограждающие конструкции дома (2 – 8%).

Скачи влажности внутри помещения происходят резко. Например, при разливе жидкости, или когда пар из кухни, ванной попадает в помещение. Смягчение пиков обеспечивают влагоемкие материалы (тяжелые материалы и дерево) внутри дома. Тем самым создается уют.

Нормальной температурой внутри дома при влажности 55% считается 21 – 23 градуса. Для большинства людей при этом возникает наиболее комфортная обстановка.

Скачки температуры внутри дома происходят по разным причинам. Например, при резком похолодании на улице, открытии наружной двери или окна, при включении-выключении кондиционера, изменении отопления… Тяжелые теплоемкие материалы внутри дома при этом очень быстро отдают тепло воздуху или наоборот поглощают его, сглаживая скачки температуры.

Дом со стенами и перекрытиями из тяжелых материалов приобретает значительную тепловую инерционность.

Какие материалы являются теплоемкими

Чем больше масса нагреваемых внутри дома материалов, тем стабильней температурные (и влажностные) условия внутри дома.

Теплоемкие материалы – это бетон, кирпич, гипс, глина, песок…

Если стены и внутренние перегородки дома сделаны из кирпича или бетона – то комфортные условия в плане паростабильности и температурной стабильности обеспеченны.

Если добавляются бетонные перекрытия – то дом можно назвать очень теплостабильным. Временное отключение отопления не будет серьезной причиной для беспокойства.

Скорость изменения температуры конструкций под внешним воздействием будет зависеть от качества утепления тяжелых материалов.

Строительные материалы с низкой тепловой инерцией это дерево, торф, солома, саман. А современные – сип-панели или подобные соединения дерева и пенопласта.

Дома в старые времена и теперь

Раньше в основном строились деревянные дома. Но посреди них всегда располагалась печь — очень массивный и теплоемкий объект. А дерево неплохо сглаживало влажностные пики. Поэтому деревянные избы были уютными

В современном доме дерево заменили еще более не теплоемким панельным материалом – фанерой с пенопластом. Но тяжелых объектов большой теплоемкости в доме нет. И нечему поглощать влажность, после мойки полов….

В домах из СИП-панелей микроклимат регулируют автоматические системы. Без них человеку (и всему живому) было бы там очень не уютно. Тяжелую разогретую русскую печку заменили микросхемой и моторчиком с крыльчаткой.

Т.е. вентиляция и отопление в СИП-доме должны очень чутко реагировать на малейшие изменения влажности и температуры воздуха. Они должны отслеживать с помощь датчиков обстановку, и постоянно, денно и ношно, работать над приведением ее в норму…

Различия между домами из тяжелых материалов и легкопанельными

Известно, что любой разогретый предмет излучает тепло. И чем больше температура и масса предмета, тем больше тепла он излучает.

В доме из тяжелых материалов, в первую очередь согревает ИК-излучение. Оно исходит от нагретых массивных стен и полов. Поэтому любое выдувание теплого воздуха из помещения здесь проходит не замеченным. Лучевое тепло согревает достаточно, даже когда воздух холодит. Поступивший в помещение холодный воздух быстро нагревается массивными предметами.

В домах, сделанных из пенопластовых панелей, отсутствует достаточное (обычное) количество теплового излучения – инфракрасных лучей. Поэтому там особенно остро ощущается любой сквозняк и перепад температуры.

Хоть автоматическая система вентиляции и кондиционирования и борется с перепадами микролимата, но она не может дать тот особый уют, который предоставляют тяжелые разогретые стены.

А если «умная» систем поломается, то и жить в таком доме будет не возможно. Поэтому в целях поддержания приемлемого для человека микроклимата там предусматривается резервирование электропитания и систем микроклимата…

Считается, что «умные» системы в легких домах справляются с возложенной на них задачей. Иначе люди бы там не жили.

Дешевые дома – это выгодно?

Дом из пенопластовых панелей дешевле. Панели сами по себе не дорогие, фундамент применяется облегченный, сборка происходит за считанные дни. Можно быстро и дешево получить готовый дом.

Если суммировать эти расходы за 25 лет, то получиться внушительная сумма. Тогда выяснится, что экономия от приобретения дешевого дома пропала – была съедена вентиляцией.

Также знакомство с недостатками быстроприобетенного дома тет-а-тет радости не доставляет. И это на долгие годы. А самочувствие и настроение измеряются гораздо большими суммами.

Поэтому стоит ли торопиться? Может лучше медленно, но верно построить дом из тяжелых, теплоемких материалов. А затем утеплить его. Дом будет комфортным, а проветриваться будет любым сквозняком. Ведь для собственного дома уют и экология это главное.