Створення оптимального мікроклімату та витрата теплової енергії на опалення приватного будинку в холодну пору року багато в чому залежить від теплоізоляційних властивостей будівельних матеріалів, з яких зведено цю споруду. Однією з таких характеристик є теплоємність. Це значення необхідно враховувати під час вибору будматеріалів для конструювання приватного будинку. Тому далі буде розглянуто теплоємність деяких будівельних матеріалів.

Визначення та формула теплоємності

Кожна речовина тією чи іншою мірою здатна поглинати, запасати та утримувати теплову енергію. Для опису цього процесу запроваджено поняття теплоємності, яка є властивістю матеріалу поглинати теплову енергію при нагріванні навколишнього повітря.

Щоб нагріти будь-який матеріал масою m від температури t поч до температури t кон, потрібно буде витратити певну кількість теплової енергії Q, яка буде пропорційною масі та різниці температур ΔТ (t кон -t поч). Тому формула теплоємності буде виглядати так: Q = c*m*ΔТ, де с – коефіцієнт теплоємності (питоме значення). Його можна розрахувати за формулою: = Q/(m* ΔТ) (ккал/(кг* °C)).

Умовно прийнявши, що маса речовини дорівнює 1 кг, а ΔТ = 1°C, можна отримати, що = Q (ккал). Це означає, що питома теплоємність дорівнює кількості теплової енергії, яка витрачається нагрівання матеріалу масою 1 кг на 1°C.

Повернутись до змісту

Використання теплоємності на практиці

Будівельні матеріали з високою теплоємністю використовують для будівництва теплостійких конструкцій.Це дуже важливо для приватних будинків, де люди проживають постійно. Справа в тому, що такі конструкції дозволяють запасати (акумулювати) тепло, завдяки чому в будинку підтримується комфортна температура досить довгий час. Спочатку опалювальний прилад нагріває повітря та стіни, після чого вже самі стіни прогрівають повітря. Це дозволяє заощадити кошти на опаленні та зробити проживання більш затишним. Для будинку, в якому люди проживають періодично (наприклад, у вихідні), велика теплоємність будматеріалу матиме зворотній ефект: така будівля буде досить складно швидко натопити.

Значення теплоємності будівельних матеріалів наведені в СНіП II-3-79. Нижче наведено таблицю основних будівельних матеріалів та значення їх питомої теплоємності.

Таблиця 1

Цегла має високу теплоємність, тому ідеально підходить для будівництва будинків та зведення печей.

Говорячи про теплоємність, слід зазначити, що опалювальні печі рекомендується будувати з цегли, оскільки значення її теплоємності досить високе. Це дозволяє використовувати піч як своєрідний акумулятор тепла. Теплоакумулятори в системах опалення (особливо в системах водяного опалення) з кожним роком застосовуються все частіше. Такі пристрої зручні тим, що їх досить 1 раз добре нагріти інтенсивною топкою твердопаливного котла, після чого вони обігріватимуть ваш будинок протягом цілого дня і навіть більше. Це дозволить суттєво заощадити ваш бюджет.

Повернутись до змісту

Теплоємність будівельних матеріалів

Якими мають бути стіни приватного будинку, щоб відповідати будівельним нормам? Відповідь це питання має кілька нюансів. Щоб з ними розібратися, буде наведено приклад теплоємності 2-х найпопулярніших будівельних матеріалів: бетону та дерева. має значення 0,84 кДж/(кг*°C), а дерева – 2,3 кДж/(кг*°C).

На перший погляд можна вирішити, що дерево – більш теплоємний матеріал, ніж бетон. Це дійсно так, адже деревина містить майже в 3 рази більше теплової енергії, ніж бетон. Для нагрівання 1 кг дерева потрібно витратити 2,3 кДж теплової енергії, але при охолодженні воно також віддасть у простір 2,3 кДж. При цьому 1 кг бетонної конструкції здатний акумулювати і відповідно віддати тільки 0,84 кДж.

Але не варто поспішати із висновками. Наприклад, потрібно дізнатися, яку теплоємність буде мати 1 м 2 бетонної та дерев'яної стіни завтовшки 30 см. Для цього спочатку потрібно порахувати вагу таких конструкцій. 1 м 2 даної бетонної стіни важитиме: 2300 кг/м 3 *0,3 м 3 = 690 кг. 1 м 2 дерев'яної стіни важитиме: 500 кг/м 3 *0,3 м 3 = 150 кг.

• для бетонної стіни: 0,84 * 690 * 22 = 12751 кДж;
• для дерев'яної конструкції: 2,3 * 150 * 22 = 7590 кДж.

З отриманого результату можна зробити висновок, що 1 м 3 деревини практично в 2 рази менше акумулюватиме тепло, ніж бетон. Проміжним матеріалом теплоємності між бетоном і деревом є цегляна кладка, в одиниці об'єму якої за тих же умов буде міститися 9199 кДж теплової енергії. При цьому газобетон як будівельний матеріал міститиме лише 3326 кДж, що буде значно менше дерева. Однак на практиці товщина дерев'яної конструкції може бути 15-20 см, коли газобетон можна укласти в кілька рядів, значно збільшуючи питому теплоємність стіни.

Цегла широко застосовується у приватному та професійному будівництві. Існує багато різновидів цього матеріалу. При виборі будматеріалу для будівництва або облицювання споруд важливу роль відіграють його властивості.

Характеристики, що впливають на якість

Необхідно враховувати такі характеристики товару:

• теплопровідність- Це здатність передавати тепло, отримане від повітря всередині приміщення, назовні;
• теплоємність– кількість тепла, що дозволяє здійснити нагрівання одного кілограма будматеріалу на один градус за Цельсієм;
• щільність– визначається наявністю внутрішніх пір.

Нижче наведено опис різних типів виробів.

Керамічний

Виготовляють із глини з додаванням певних речовин. Після виготовлення піддають термічній обробці спеціалізованих печах. Показник питомої теплоємності становить 0.7 – 0.9 кДж, а густина – близько 1300–1500 кг/м 3 .

Сьогодні багато виробників випускають керамічну продукцію. Такі вироби відрізняються не лише розмірами, а й своїми властивостями. Наприклад, теплопровідність керамічного блоку набагато нижча, ніж звичайного. Це досягається за рахунок великої кількості порожнин усередині. У порожнинах знаходиться повітря, яке погано проводить тепло.

Силікатний

Силікатна цегла користується високим попитом у будівництві, популярність обумовлена ​​міцністю, доступністю та низькою вартістю. Показник питомої теплоємності становить 0.75 – 0.85 кДж, яке щільність – від 1000 до 2200 кг/м 3 .

Продукт має відмінні звукоізоляційні характеристики. Стіна із силікатного виробу ізолюватиме споруду від проникнення різноманітних шумів. Його найчастіше використовують для зведення перегородок. Продукт широко застосовується як проміжний шар у кладці, що виконує роль звукоізолятора.

Облицювальний

Облицювальні блоки широко поширені при обробці зовнішніх стін будівель не тільки через привабливий вигляд. Питома теплоємність цеглини – 900 Дж, а значення щільності знаходиться в межах 2700 кг/м 3 . Таке значення дає можливість матеріалу добре протистояти проникненню вологи крізь кладку.

Вогнетривкий

Вогнетривкі блоки можна розділити на кілька видів:

• карборундові;
• магнезитові;
• динасові;
• шамотні.

Вогнестійкі вироби використовуються для будівництва високотемпературних печей. Їхня щільність становить 2700 кг/м 3 . Теплоємність кожного із видів залежить від умов виготовлення. Так, індекс теплоємності у карборундової цегли при температурі 1000 про З становить 780 Дж. Шамотна цегла при температурі 100 про має індекс 840 Дж, а при 1500 про З цей параметр підвищиться до 1.25 кДж.

Вплив температурного режиму

На якості впливає температурний режим. Так, при середній щільності матеріалу теплоємність може відрізнятися залежно від температури навколишнього середовища.

З перерахованого вище слід, що підбирати будматеріал необхідно, виходячи з його характеристик і подальшої області його застосування. Так вдасться звести приміщення, яке відповідатиме необхідним вимогам.

Здатність матеріалу утримувати тепло оцінюється його питомою теплоємністю, тобто. кількістю тепла (в кДж), необхідним підвищення температури одного кілограма матеріалу на один градус. Наприклад, вода має питому теплоємність, що дорівнює 4,19 кДж/(кг*K). Це означає, наприклад, що підвищення температури 1 кг води на 1°K потрібно 4,19 кДж.

Таблиця 1. Порівняння деяких теплоакумулюючих матеріалів

Матеріал	Щільність кг/м 3	Теплоємність, кДж/(кг*K)	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м*K)	Маса ТАМ для теплоакумулювання 1 ГДж теплоти при Δ= 20 K, кг	Відносна маса ТАМ щодо маси води, кг/кг	Об'єм ТАМ для теплоакумулювання 1 ГДж теплоти при Δ= 20 K, м 3	Відносний об'єм ТАМ по відношенню до об'єму води, м 3 /м 3
Граніт, галька	1600	0,84	0,45	59500	5	49,6	4,2
Вода	1000	4,2	0,6	11900	1	11,9	1
Глауберова сіль (декагідрат сульфату натрію)	14600 1300	1,92 3,26	1,85 1,714	3300	0,28	2,26	0,19
Парафін	786	2,89	0,498	3750	0,32	4,77	0,4

Для водонагрівальних установок та рідинних систем опалення найкраще як теплоакумулюючий матеріал застосовувати воду, а для повітряних геліосистем - гальку, гравій і т.п. Слід мати на увазі, що гальковий теплоакумулятор при однаковій енергоємності в порівнянні з водяним теплоакумулятором має в 3 рази більший об'єм і займає в 1,6 рази більшу площу. Наприклад, водяний теплоакумулятор діаметром 1,5 м і висотою 1,4 м має об'єм 4,3 м 3 , у той час як гальковий теплоакумулятор у формі куба зі стороною 2,4 м має об'єм 13,8 м 3 .

Щільність акумулювання теплоти значною мірою залежить від методу акумулювання та роду теплоакумулюючого матеріалу. Вона може бути акумульована в хімічно зв'язаному вигляді палива. При цьому щільність акумулювання відповідає теплоті згоряння, кВт*год/кг:

• нафта – 11,3;
• вугілля (умовне паливо) – 8,1;
• водень – 33,6;
• деревина – 4,2.

При термохімічному акумулюванні теплоти в цеоліті (процеси адсорбції - десорбції) може акумулюватися 286 Вт*ч/кг теплоти при температурі 55°C. Щільність акумулювання теплоти в твердих матеріалах (скельна порода, галька, граніт, бетон, цегла) при різниці температур 60 ° C становить 14 17 Вт * год / кг, а у воді - 70 Вт * год / кг. При фазових переходах речовини (плавлення - затвердіння) щільність акумулювання значно вища, Вт*ч/кг:

• лід (танення) – 93;
• парафін – 47;
• гідрати солей неорганічних кислот - 40?130.

На жаль, найкращий з наведених у таблиці 2 будівельних матеріалів - бетон, питома теплоємність якого становить 1,1 кДж/(кг*K), утримує лише ¼ тієї кількості тепла, яке зберігає вода тієї ж ваги. Проте густина бетону (кг/м 3 ) значно перевищує густину води. У другому стовпці таблиці 2 наведено щільність цих матеріалів. Помноживши питому теплоємність на густину матеріалу, отримаємо теплоємність на кубічний метр. Ці величини наведені в третьому стовпці таблиці 2. Слід зазначити, що вода, незважаючи на те, що має найменшу щільність із усіх наведених матеріалів, має теплоємність на 1 м 3 вище (2328,8 кДж/м 3), ніж інші матеріали таблиці, через її значно більшу питому теплоємність. Низька питома теплоємність бетону значно компенсується його великою масою, завдяки якій він утримує значну кількість тепла (1415,9 кДж/м 3 ).

Навколо питання застосування шамотної та керамічної цегли у пічній справі ходить дуже багато різних суперечок, чуток, домислів та легенд. Наприклад, часто зустрічається думка, що шамотна цегла радіоактивна, що її використання шкідливе для здоров'я.
Здавна прийнято, що піч кладеться з керамічної цегли, а топка футерується шамотним. Зараз же можна зустріти печі, каміни, барбекю повністю зроблені з шамотної цегли, та що вже таїти - сам використовую саме шамотну цеглу в роботі.
Давайте спробуємо все-таки розібратися, що тут до чого, порівняти ці 2 види цегли та визначити їх сфери застосування.

Спочатку кілька теоретичних моментів.

Теплопровідність- Здатність матеріалу передавати через свою товщу тепловий потік, що виникає внаслідок різниці температур на протилежних поверхнях. Теплопровідність характеризується кількістю теплоти (Дж), що проходить протягом 1 години через зразок матеріалу товщиною 1 м, площею 1 м2, при різниці температур на протилежних плоскопаралельних поверхнях в 1 К.
Теплоємність- Здатність матеріалу при нагріванні поглинати теплоту. Теплоємність визначається відношенням кількості теплоти, що повідомляється тілу, до відповідної зміни температури
Пористість- ступінь заповнення обсягу матеріалу порами, що вимірюється в %
Щільністьцегли визначається масою цегли на одиницю її обсягу
Морозостійкість- здатність матеріалу витримувати поперемінне заморожування та розморожування у водонасиченому стані без ознак руйнування

А тепер давайте спробуємо поміркувати про можливість застосування шамотної цегли.

1. Шамотна цегла швидше прогріватиметься і стінки цегли будуть гарячішими, але при цьому остигає він за часом майже стільки ж, скільки і керамічний. На підтвердження цьому досліди Євгена Колчина. Це дуже зручно, наприклад, в облицюванні камінних топок.
2. Сама по собі шамотна цегла має правильну геометричну форму де будь-яка з 6 граней може бути лицьовою (точніше 5 - ложок з тавром не підійде) - з цією перевагою не може посперечатися керамічна цегла (там їх всього 3). Цей факт дозволяє працювати майже без шлюбу.
Також наявність шамотних блоків (ШБ 94, ШБ 96) в деяких моментах спрощують роботу і збільшують можливість використання шамота (полиці, декоративні елементи)

3. Давайте звернемося до Європейського досвіду. Додаткові теплонакопичувальні елементи (включаючи додаткові димообороти) для Brunner, Jotul, Schmid, Olsberg роблять із шамоту. Німецька компанія Wolfshoeher Tonwerke випускає шамотні елементи для димообігів та теплонакопичувальних печей. Мало хто звертає увагу, але навіть є спеціальний клас – пічні топки: їх можна підключати лише через систему димообігів.

4. Звичайно, коефіцієнт розширення у шамотної та керамічної цегли різний, тому перев'язувати їх настійно не рекомендується. Це вкотре підтвердив досвід Євгена Колчина.
5. Дуже часто існує думка, що шамотна цегла при нагріванні виділяє шкідливі речовини або взагалі радіоактивна. Останнє ще в теорії (і тільки в теорії!) якось можливо, тому що все залежить від місця видобутку глини, але в перше віриться насилу. Швидше за все, причина виникнення слуху про виділення шкідливих речовин у наступному. Шамотна цегла - один з видів вогнетривких матеріалів (підгрупи алюмосилікатних вогнетривів: напівкислі, шамотні та високоглиноземисті; а є ще динасові, мулітові та ін вогнетриви), а їх дуже багато, виготовляються вони різним способом. Можливо, що при нагріванні деяких з них і виділення шкідливих речовин, але це не відноситься до шамотної цегли, оскільки він призначений для побутового використання.
6. Ще одним недоліком шамотної цегли можна назвати її меншу, в порівнянні з керамічною цеглою, морозостійкість. Багато хто скаже, що для барбекю він не підійде. Я нещодавно працюю пічником, але те, що було зроблено на вулиці мною 3-5 років тому без ознак руйнування. Та й завжди можна захистити шамотну цеглу лаками або тим же рідким склом

У будівництві дуже важливою характеристикою є теплоємність будівельних матеріалів. Від неї залежать теплоізоляційні властивості стін будівлі, а відповідно, і можливість комфортного перебування всередині будівлі. Перш, ніж приступити до ознайомлення з теплоізоляційними характеристиками окремих будівельних матеріалів, необхідно зрозуміти, що є теплоємністю і як вона визначається.

Питома теплоємність матеріалів

Теплоємність - це фізична величина, що описує здатність того чи іншого матеріалу накопичувати в собі температуру від нагрітого навколишнього середовища. Кількісно питома теплоємність дорівнює кількості енергії, що вимірюється Дж, необхідної для того, щоб нагріти тіло масою 1 кг на 1 градус.
Нижче представлена ​​таблиця питомої теплоємності найпоширеніших у будівництві матеріалів.

• вид і обсяг матеріалу, що нагрівається (V);
• показник питомої теплоємності цього матеріалу (Суд);
• питома вага (mуд);
• початкову та кінцеву температури матеріалу.

Теплоємність будівельних матеріалів

Теплоємність матеріалів, таблиця за якою наведена вище, залежить від щільності та коефіцієнта теплопровідності матеріалу.

А коефіцієнт теплопровідності, у свою чергу, залежить від крупності та замкнутості пір. Дрібнопористий матеріал, що має замкнуту систему пір, має більшу теплоізоляцію і, відповідно, меншу теплопровідність, ніж крупнопористий.

Це дуже легко простежити на прикладі найпоширеніших у будівництві матеріалів. На малюнку, представленому нижче, показано яким чином впливає коефіцієнт теплопровідності та товщина матеріалу на теплозахисні якості зовнішніх огорож.

З малюнка видно, що будівельні матеріали з меншою щільністю мають менший коефіцієнт теплопровідності.
Проте так не завжди. Наприклад, існують волокнисті види теплоізоляції, для яких діє протилежна закономірність: чим менша щільність матеріалу, тим вищим буде коефіцієнт теплопровідності.

Тому не можна довіряти виключно показнику відносної густини матеріалу, а варто враховувати й інші його характеристики.

Порівняльна характеристика теплоємності основних будівельних матеріалів

Для того, щоб порівняти теплоємність найбільш популярних будівельних матеріалів, таких як дерево, цегла і бетон, необхідно розрахувати величину теплоємності для кожного з них.

Насамперед потрібно визначитися з питомою масою дерева, цегли та бетону. Відомо, що 1 м3 дерева важить 500 кг, цеглини – 1700 кг, а бетону – 2300 кг. Якщо ми беремо стінку, товщина якої становить 35 см, то шляхом нехитрих розрахунків отримаємо, що питома вага 1 кв.м дерева складе 175 кг, цегли – 595 кг, а бетону – 805 кг.
Далі виберемо значення температури, коли буде відбуватися накопичення теплової енергії у стінах. Наприклад, це відбуватиметься у спекотний літній день із температурою повітря 270С. Для вибраних умов розраховуємо теплоємність вибраних матеріалів:

1. Стіна з дерева: С=СудхmудхΔТ; Сдер = 2,3 х175х27 = 10867,5 (кДж);
2. Стіна з бетону: С=СудхmудхΔТ; Сбет = 0,84 х805х27 = 18257,4 (кДж);
3. Стіна з цегли: С=СудхmудхΔТ; Скірп = 0,88 х595х27 = 14137,2 (кДж).

З розрахунків видно, що при однаковій товщині стіни найбільшим показником теплоємності має бетон, а найменшим - дерево. Про що це каже? Це говорить про те, що у спекотний літній день максимальна кількість тепла накопичуватиметься в будинку, виконаному з бетону, а найменше – з дерева.

Цим пояснює той факт, що у дерев'яному будинку в спеку прохолодно, а в холодну погоду тепло. Цегла та бетон легко накопичують у собі досить велику кількість тепла з навколишнього середовища, але так само легко і розлучаються з ним.

Теплоємність та теплопровідність матеріалів

Теплопровідність - це фізична величина матеріалів, що описує здатність проникнення температури з однієї поверхні стіни на іншу.

Для створення комфортних умов у приміщенні необхідно, щоб стіни мали високий показник теплоємності та низький коефіцієнт теплопровідності. У цьому випадку стіни будинку будуть здатні накопичувати теплову енергію навколишнього середовища, але при цьому перешкоджатиме проникненню теплового випромінювання всередину приміщення.