Zastanówmy się, jaki jest współczynnik przewodności cieplnej λ (lambda), opór przenikania ciepła R i współczynnik przenikania ciepła U.
Właściwości termotechniczne materiałów i konstrukcji budowlanych mają trzy najważniejsze wskaźniki (λ, R i U), które wpływają na efektywność energetyczną budynków. Aby wybrać technologię budowy najlepiej odpowiadającą współczesnym wymaganiom w zakresie oszczędności energii, konieczne jest zrozumienie różnic między tymi wskaźnikami oraz tego, jakie właściwości konstrukcji one warunkują.
Te trzy parametry są ze sobą ściśle powiązane. Jednocześnie współczynnik przewodzenia ciepła λ jest cechą materiału, natomiast opór przenikania ciepła R i współczynnik przenikania ciepła U zależą od λ i należą do właściwości konstrukcji budowlanych.
Przewodność cieplna to zdolność ciał do przewodzenia energii cieplnej z części cieplejszych do mniej nagrzanych. Przewodność cieplna jest określana przez ilość ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez jednostkę grubości materiału.
Współczynnik przewodnictwa cieplnego λ jest miarą, która wyraża zdolność materiału o grubości 1 metra do oddania ilości ciepła w dżulach w ciągu 1 sekundy przy różnicy temperatur na przeciwległych powierzchniach materiału wynoszącej 1 stopień Kelvina lub Celsjusza oraz jest mierzona w W/(m∙K).
Współczynnik przewodności cieplnej λ
W większości przypadków współczynnik przewodności cieplnej określa się eksperymentalnie, mierząc przepływ ciepła i gradient temperatury w badanym materiale. Zależy to nie tylko od rodzaju materiału, ale także od temperatury, wilgotności, gęstości itp.
Średnie wskaźniki dla różnych materiałów
| Materiał | λ, W/(m∙K) |
| Żelbet | 2,04 |
| Cegła ceramiczna | 0,75 |
| Beton komórkowy | 0,23 |
| Twarde drewno | 0,14 |
| Wełna mineralna | 0,043 |
| Polistyren ekspandowany (pianka) | 0,037 |
| Ekstrudowany polistyren | 0,032 |
| Pianka poliizocyjanurowa (PIR) | 0,022 |
Materiały o najlepszych właściwościach termoizolacyjnych charakteryzują się niższymi wartościami współczynnika przewodności cieplnej λ. Należy zaznaczyć, że istnieje kilka metod wyznaczania λ, które pozwalają na uzyskanie różnych wartości dla tego samego materiału w różnych warunkach.
Porównanie współczynników przewodności cieplnej pianki poliizocyjanurowej (PIR) uzyskanej w konstrukcji ściany z płyt warstwowych o grubości 100 mm
| Współczynnik przewodności cieplnej | λ, W/(m∙K) | R, (m2∙K)/W | U, W/(m2∙K) | |
| 1 | λ0 oblicz | 0,0179 | 5,75 | 0,1739 |
| 2 | λ10, 0 oblicz | 0,0181 | 5,68 | 0,1761 |
| 3 | λ25, 0 oblicz | 0,0186 | 5,54 | 0,1805 |
| 4 | λ25, A eksp | 0,023 | 4,51 | 0,2217 |
| 5 | λ25, A ef eksp | 0,024 | 4,33 | 0,2310 |
| 6 | λ25, B eksp | 0,031 | 3,38 | 0,2959 |
| 7 | λ10, A dekl | 0,022 | 4,70 | 0,2128 |
| 8 | λ25, B oblicz | 0,040 | 2,66 | 0,3759 |
Сравнение коэффициентов теплопроводности для минеральной ваты (W), полученных в стеновой конструкции из сэндвич-панелей толщиной 150 мм
| Współczynnik przewodności cieplnej | λ, W/(m∙K) | R, (m2∙K)/W | U, W/(m2∙K) | |
| 1 | λ0 oblicz w poprzek | 0,0317 | 4,89 | 0,2045 |
| 2 | λ10, A oblicz w poprzek | 0,0337 | 4,61 | 0,2169 |
| 3 | λ25, A eksp w poprzek | 0,0370 | 4,21 | 0,2375 |
| 4 | λ25 A eksp wzdłuż | 0,0380 | 4,11 | 0,2433 |
| 5 | λ25, A ef eksp wzdłuż | 0,0390 | 4,01 | 0,2494 |
| 6 | λ10, B eksp wzdłuż | 0,0406 | 3,85 | 0,2597 |
| 7 | λ10, A dekl wzdłużnie | 0,0430 | 3,64 | 0,2747 |
| 8 | λ25, B oblicz wzdłuż | 0,0490 | 3,22 | 0,3106 |
λ0 oblicz / λ0 oblicz w poprzek – minimalne możliwe obliczenie teoretyczne
PIR – w stanie całkowicie suchym (wilgotność 0%)
W – ułożenie włókien w poprzek kierunku przepływu ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ10, 0 oblicz / λ10, A oblicz w poprzek – dla jednej płyty warstwowej, obliczone przy 10 °С
PIR – w stanie całkowicie suchym (wilgotność 0%)
W – ułożenie włókien w poprzek kierunku przepływu ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ25, 0 oblicz / λ25, A eksp w poprzek – dla jednej płyty warstwowej przy 25 °С
PIR – obliczony w stanie całkowicie suchym (wilgotność 0%)
W – eksperymentalne, ułożenie włókien w poprzek kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ25, A eksp / λ25 A eksp wzdłuż – dla jednej płyty warstwowej przy 25°C
PIR – tryb pracy A (wilgotność do 2%)
W – orientacja włókien w kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ25, A ef eksp / λ25, A ef eksp wzdłuż – eksperyment efektywny, dla konstrukcji ściennej z płyt warstwowych przy 25 °С
PIR – tryb pracy A (wilgotność do 2%)
W – orientacja włókien w kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ25, B eksp / λ10, B eksp wzdłuż – eksperymentalnie, dla konstrukcji ściany z płyt warstwowych
PIR – przy 25°C, tryb pracy B (wilgotność do 5%)
W – przy 10 °С, orientacja włókien w kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy B (wilgotność do 1%)
λ10, A dekl / λ10, A dekl wzdłużnie – deklarowalny (maksymalny możliwy najgorszy wynik), dla konstrukcji ściennej z płyt warstwowych przy 10 °С
PIR – tryb pracy A (wilgotność do 2%)
W – orientacja włókien w kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy A (wilgotność do 0,5%)
λ25, B oblicz / λ25, B oblicz wzdłuż – obliczone, maksymalny możliwy standard przy 25 °С
PIR – tryb pracy B (wilgotność 5%)
W – orientacja włókien w kierunku rozchodzenia się strumienia ciepła, tryb pracy B (wilgotność 1-2,5%)
Dla konstrukcji ściany wykonanej z płyt warstwowych decydującym parametrem jest parametr λ25, A ef eksp dlatego współczynnik ten jest zawsze podawany w deklaracjach zgodności na płytach Ruukki. Obowiązkowe stosowanie λ25, A ef eksp w obliczeniach efektywności energetycznej konstrukcji wynika z faktu, że DSTU B V.2.7-182:2009 reguluje standardowe warunki badania charakterystyki przewodności cieplnej w temperaturze 25 °C oraz materiału wilgotność do 0,5% (W) i do 2% (PIR). Jednocześnie w krajach Unii Europejskiej zwyczajowo określa się charakterystykę przewodności cieplnej w temperaturze 10 °C, dlatego na Ukrainie do realizowania produkcji UE konieczne jest dodatkowe uzyskanie tych wskaźników oznaczono w temperaturze 25°C.
Należy zaznaczyć, że do obliczenia oporu cieplnego zewnętrznej konstrukcji otaczającej użycie wskaźników innych niż λ25, A ef eksp jest nieprawidłowe, dlatego przy wyborze optymalnej grubości płyt warstwowych bardzo ważne jest zrozumienie, co dokładnie wskaźnik λ oznaczany przez producenta. Przykładowo: DBN B.2.6-31:2021 reguluje minimalne dopuszczalne wartości oporu przenikania ciepła zewnętrznych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej budowanych dla I strefy temperaturowej Rqmin = 4,0 (m2∙K)/W. Aby konstrukcje ścian spełniały wymagania niniejszego DBN, przy uwzględnieniu definiujących λ25, A ef eksp, konieczne jest zastosowanie płyt warstwowych z wełny mineralnej Ruukki o grubości 150 mm. Jednocześnie, jeśli użyć bardziej „reklamowego” λ0 oblicz, to podobno wystarczy panel o grubości 120 mm, ale w rzeczywistości nie odpowiada to rzeczywistości. Dlatego ważne jest, aby patrzeć nie tylko na wartość liczbową λ, ale także na to, jaki dokładny wskaźnik podaje dostawca. W przeciwnym razie, w pogoni za oszczędnością, można wybrać niewłaściwą grubość płyt warstwowych, co doprowadzi do wzrostu kosztów ogrzewania i klimatyzacji w trakcie eksploatacji budynku.
Opór przenikania ciepła R to zdolność struktury do zapobiegania rozprzestrzenianiu się ruchu termicznego cząsteczek. Wartość R pokazuje, w jaki sposób struktura o określonej grubości opiera się przenoszeniu ciepła przez siebie i jest określana przez różnicę temperatur w stopniach Kelvina lub Celsjusza na przeciwległych powierzchniach struktury, która jest wymagana do przeniesienia 1 W mocy energii przez 1 m2 powierzchni tej konstrukcji i jest mierzona w (m2∙K)/W .
Aby obliczyć opór przenikania ciepła wielowarstwowej, jednorodnej termicznie struktury izolacyjnej R∑, stosuje się wzór uwzględniający różne materiały tej struktury oraz współczynniki αW (wewnętrzny) i αZ (zewnętrzny).
Dla uproszczenia możemy powiedzieć, że opór przenikania ciepła R to grubość materiału w metrach podzielona przez jego współczynnik przewodności cieplnej λ, który pokazuje, jak dobrze opiera się on przenoszeniu ciepła przy określonej grubości. W związku z tym im grubsza jest struktura i im niższe są współczynniki przewodności cieplnej materiałów, z których jest wykonana, tym jest ona bardziej energooszczędna.
Zmniejszony opór przenikania ciepła R∑pr uwzględnia wszystkie rzeczywiste straty ciepła przez otaczającą konstrukcję w tym w obszarach połączeń zamków i złączy, złączy narożnych, wtrąceń termicznych, ubytków punktowych, łączników itp. Na podstawie danych eksperymentalnych z pomiaru zredukowanego oporu przenikania ciepła określonej konstrukcji oblicza się λ25, A ef eksp, co jest dalej wykorzystywane do obliczania R∑pr podobnie projektowanych konstrukcji.
Obliczenia R∑pr termicznie niejednorodnej nieprzezroczystej struktury otaczającej dokonuje się według wzoru:
DSTU B V.2.6-189:2013 reguluje, że przy projektowaniu konstrukcji zamykających musi być spełniony warunek R∑pr ≥ Rqmin.
Obliczona grubość konstrukcji ścian wykonanych z różnych materiałów dla uzyskania oporu przenikania ciepła R=4,0 (m2∙K)/W
Konstrukcja o lepszej izolacji termicznej zapewnia wymaganą wartość R przy minimalnej grubości i zatrzymuje ciepło w taki sam sposób jak konstrukcje grubsze, jednocześnie pozostawiając więcej miejsca wewnątrz budynku.
Opór przenikania ciepła R i współczynnik przenikania ciepła U
Współczynnik przenikania ciepła U to ilość ciepła w dżulach przenoszona przez konstrukcję o powierzchni 1 m2 w ciągu 1 sekundy przy różnicy temperatur na przeciwległych powierzchniach wynoszącej 1 stopień Kelvina lub Celsjusza.
Wartość U jest odwrotnie proporcjonalna do oporu przenoszenia ciepła i jest mierzona w W/(m2∙K).
Współczynnik przenikania ciepła określa zdolność konstrukcji do przenoszenia ciepła z pomieszczenia bardziej ogrzewanego do pomieszczenia słabiej ogrzewanego lub pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a wnętrzem budynku. Im niższa wartość U, tym lepsza izolacyjność termiczna budynku.
Istnieje również bardziej rozbudowany wzór na określenie U, który dodatkowo uwzględnia wszystkie rzeczywiste straty ciepła przez zewnętrzne konstrukcje otaczające, ale wyniki takiego obliczenia są identyczne z obliczeniami za pomocą wzoru skróconego.
Producenci termoizolacyjnych konstrukcji budowlanych muszą podawać informacje o λ, R i U w opisie produktu umieszczonym w ogólnodostępnym lub w deklaracjach zgodności, jeśli ich obecność jest przewidziana przez obowiązujące przepisy. Na przykład współczynnik przewodzenia ciepła λ, zmniejszony opór przenikania ciepła R oraz współczynnik przenikania ciepła U dla płyt warstwowych Ruukki są podane w deklaracjach zamieszczonych na stronie internetowej Rauta. Deklarowane właściwości termoizolacyjne płyt muszą być potwierdzone protokołami badań certyfikacyjnych, które muszą być dostępne u producenta. Niestety na Ukrainie wielu dostawców płyt warstwowych nie dba o potwierdzenie właściwości termoizolacyjnych poprzez badania i obliczenia, tylko deklaruje fikcyjne wartości.
Parametry λ, R i U, oprócz określania parametrów konstrukcji otaczających podczas projektowania, służą również do obliczania efektywności energetycznej budynków oraz kontroli parametrów cieplnych podczas eksploatacji.
W niektórych przypadkach dookolne konstrukcje mogą mieć złożoną konfigurację, dlatego trudno jest określić parametry izolacji termicznej. Wówczas zaleca się kontakt z producentem materiału w celu uzyskania pomocy w obliczeniu efektywności energetycznej budynku.
