Основні показники енергоефективності будівельних матеріалів та конструкцій

Теплотехнічні властивості будівельних матеріалів та конструкцій мають три найважливіші показники (λ, R та U), які впливають на енергоефективність будівель. Для вибору технології будівництва, яка найкраще відповідає сучасним вимогам до енергозбереження, необхідно розуміти відмінності між цими показниками і те, які властивості конструкції вони визначають.

Ці три параметри тісно пов’язані між собою. При цьому коефіцієнт теплопровідності λ є характеристикою матеріалу, в той час як опір теплопередачі R і коефіцієнт теплопередачі U залежать від λ та відносяться до властивостей будівельних конструкцій.

Що таке теплопровідність і коефіцієнт теплопровідності λ?

Теплопровідність – це здатність тіл проводити теплову енергію від більш нагрітих частин до менш нагрітих. Теплопровідність визначається кількістю теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю товщини матеріалу.

Коефіцієнт теплопровідності λ – це міра, яка виражає здатність матеріалу товщиною 1 метр пропускати кількість теплоти в Джоулях за 1 секунду при різниці температур на протилежних поверхнях матеріалу 1 градус Кельвіна або Цельсія та вимірюється у Вт/(м∙К).

Коефіцієнт теплопровідності λ

У більшості випадків коефіцієнт теплопровідності λ визначається експериментально шляхом вимірювання теплового потоку і градієнта температур у досліджуваному матеріалі. Він залежить не лише від типу матеріалу, а й від температури, вологості, щільності та ін.

Усереднені показники λ для різних матеріалів

Матеріали з кращими теплоізоляційними властивостями мають нижчі значення коефіцієнту теплопровідності λ. Варто зазначити, що існує декілька способів визначення λ, які дають змогу за різних умов для одного й того ж матеріалу отримувати різні значення.

Порівняння коефіцієнтів теплопровідності λ для пінополіізоціанурату (PIR), отриманих в стіновій конструкції з сендвіч-панелей товщиною 100 мм

Порівняння коефіцієнтів теплопровідності λ для мінеральної вати (W), отриманих в стіновій конструкції з сендвіч-панелей товщиною 150 мм

1. λ_{0 розрах} / λ_{10, А розрах впоперек} – мінімально можлива розрахункова теоретична
   PIR – в абсолютно сухому стані (вологість 0%)
   W – орієнтація волокон впоперек напрямку поширення теплового потоку, в абсолютно сухому стані (вологість 0%).
2. λ_{10, 0 розрах} / λ_{10, А розрах впоперек} – для однієї сендвіч-панелі, розрахункова при 10 °С
   PIR – в абсолютно сухому стані (вологість 0%)
   W – орієнтація волокон впоперек напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації А (вологість до 0,5%)
3. λ_{25, 0 розрах} / λ_{25, А експ впоперек} – для однієї сендвіч-панелі при 25 °С
   PIR – розрахункова в абсолютно сухому стані (вологість 0%)
   W – експериментальна, орієнтація волокон впоперек напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації А (вологість до 0,5%)
4. λ_{25, А експ} / λ_{25, А експ вздовж} – для однієї сендвіч-панелі експериментальна при 25 °С
   PIR – режим експлуатації А (вологість до 2%)
   W – орієнтація волокон вздовж напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації А (вологість до 0,5%)
5. λ_{25, А еф експ} / λ_{25, А еф експ вздовж} – ефективна, для стінової конструкції з сендвіч-панелей при 25 °С
   PIR  – режим експлуатації А (вологість до 2%)
   W – орієнтація волокон вздовж напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації А (вологість до 0,5%)
6. λ_{25, Б експ} / λ_{10, Б експ вздовж} – експериментальна, для стінової конструкції з сендвіч-панелей
   PIR – при 25 °С, режим експлуатації Б (вологість до 5%)
   W – при 10 °С, орієнтація волокон вздовж напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації Б (вологість до 1%)
7. λ_{10, А декл} / λ_{10, А декл вздовж} – декларована (максимально можливий гірший результат), для стінової конструкції з сендвіч-панелей при 10 °С
   PIR – режим експлуатації А (вологість до 2%)
   W – орієнтація волокон вздовж напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації А (вологість до 0,5%)
8. λ_{25, Б розрах} / λ_{25, Б розрах здовж} – розрахункова, максимально можлива нормативна при 25 °С
   PIR – режим експлуатації Б (вологість 5%)
   W – орієнтація волокон вздовж напрямку поширення теплового потоку, режим експлуатації Б (вологість 1-2,5%)

Для стінової конструкції з сендвіч-панелей визначальним є показник λ_{25, А еф експ}, тому в деклараціях відповідності на панелі Ruukki завжди зазначається саме цей коефіцієнт. Обов’язкове використання в розрахунках енергоєфективності конструкцій будівель саме λ_{25, А еф експ} обумовлене тим, що ДСТУ Б В.2.7-182 регламентує стандартні умови випробувань характеристик теплопровідності саме за температури 25 °С та вологості матеріалу до 0,5% (W) і до 2% (PIR). Водночас в країнах Євросоюзу прийнято визначати характеристики теплопровідності за температури 10 °С, тому в Україні для продукції виробництва ЄС необхідно додатково отримувати ці показники, визначені за температури 25 °С.

Варто зазначити, що для розрахунку термоопору зовнішньої огороджувальної конструкції застосування інших показників, окрім λ_{25, А еф експ} є хибним, тому для вибору оптимальної товщини сендвіч-панелей дуже важливо розуміти, який саме показник λ має на увазі виробник. Для прикладу: ДБН В.2.6-31 регламентує мінімально допустимі значення опору теплопередачі зовнішніх огороджувальних конструкцій житлових та громадських будівель для І температурної зони Rqmin=4,0 (м²∙К)/Вт. Для відповідності стінових конструкцій вимогам цього ДБН, якщо приймати в розрахунок визначальний λ_{25, А еф експ}, необхідно застосовувати мінераловатні сендвіч-панелі Ruukki товщиною 150 мм. При цьому, якщо використовувати більш «рекламний» λ_{0 розрах}, то начебто достатньо панелі товщиною 120 мм, проте насправді це не відповідає дійсності. Отже важливо дивитися не лише на числове значення λ, а й на те, який саме показник надає постачальник. Інакше, в гонитві за економією, можна обрати хибну товщину сендвіч-панелей, що призведе до підвищених витрат на опалення і кондиціонування в процесі експлуатації будівлі.

Що таке опір теплопередачі R?

Опір теплопередачі R – це здатність конструкції перешкоджати поширенню теплового руху молекул. Величина R показує як конструкція певної товщини чинить опір передачі тепла крізь себе і визначається різницею температур в градусах Кельвіна або Цельсія на протилежних поверхнях конструкції, необхідної для перенесення 1 Вт потужності енергії через 1 м² площі цієї конструкції та вимірюється в (м²∙К)/Вт.

Для розрахунку опору теплопередачі багатошарової термічно однорідної огороджувальної конструкції R_∑ використовується формула, що враховує різні матеріали цієї конструкції і коефіцієнти α_В (внутрішня) та α_З (зовнішня).

Задля спрощеного розуміння можна сказати, що опір теплопередачі R – це товщина матеріалу в метрах, поділена на його коефіцієнт теплопровідності λ, що відображає наскільки добре він опирається теплопередачі при певній товщині. Отже, чим товще конструкція та чим нижчі коефіцієнти теплопровідності її матеріалів, тим вона більш енергоефективна.

Приведений опір теплопередачі R_∑пр враховує всі фактичні втрати тепла через огороджувальну конструкцію, в тому числі в зонах замкових з’єднань і стиків, кутових сполучень, теплових включень, точкових втрат, через кріпильні елементи та інше. На основі експериментальних даних з вимірювання приведеного опору теплопередачі конкретної конструкції обчислюється λ_{25, А еф експ}, який в подальшому використовується для розрахунку R_∑пр аналогічних конструкцій, що проєктуються.

Розрахунок R_∑пр термічно неоднорідної непрозорої огороджувальної конструкції здійснюється за формулою:

ДСТУ Б В.2.6-189 регламентує, що при проєктуванні огороджувальних конструкцій обов’язковим є виконання умови R_∑пр ≥ R_qmin.

Розрахункова товщина стінових конструкцій з різних матеріалів для досягнення опору теплопередачі R=4,0 (м2∙К)/Вт

Конструкція з кращою теплоізоляцією забезпечує необхідне значення R при мінімальній товщині та зберігає тепло так само, як і товстіші конструкції, при цьому дає змогу отримувати більше простору всередині будівлі.

Опір теплопередачі R та коефіцієнт теплопередачі U

Що таке коефіцієнт теплопередачі U?

Коефіцієнт теплопередачі U – це кількість теплоти в Джоулях, яка передається через конструкцію площею поверхні 1 м² за 1 секунду при різниці температур на протилежних поверхнях 1 градус Кельвіна або Цельсія.

Величина U зворотно пропорційна опору теплопередачі та вимірюється у Вт/(м²∙К).

Коефіцієнт теплопередачі показує здатність конструкції передавати тепло від більш нагрітого до менш нагрітого приміщення, або між зовнішнім середовищем і внутрішнім приміщенням будівлі. Чим нижче значення U, тим краща теплоізоляція будівлі.

Також існує більш розширена формула визначення U, яка додатково передбачає всі фактичні втрати тепла через зовнішні огороджувальні конструкції, проте результати такого обчислення ідентичні розрахунку за скороченою формулою.

Де шукати λ, R та U?

Виробники теплоізоляційних будівельних конструкцій мають надавати інформацію про λ, R та U в описі продукції, який є у відкритому доступі, або в деклараціях відповідності, якщо їх наявність передбачена чинним законодавством. Наприклад, коефіцієнт теплопровідності λ, приведений опір теплопередачі R та коефіцієнт теплопередачі U для сендвіч-панелей Ruukki зазначені в деклараціях, розміщених на сайті Rauta. Задекларовані теплоізоляційні характеристики панелей повинні підтверджуватися протоколами сертифікаційних випробувань, які також мають бути в наявності у виробника. Нажаль в Україні багато постачальників сендвіч-панелей не переймаються підтвердженням теплоізоляційних характеристик випробуваннями та розрахунками, а декларують вигадані значення.

Окрім визначення параметрів огороджувальних конструкцій при проєктуванні, показники λ, R та U також використовуються для розрахунку енергоефективності будівель та контролю теплових параметрів в процесі експлуатації.

В окремих випадках огороджувальні конструкції можуть мати складну конфігурацію і тому параметри теплоізоляції визначити важко. Тоді рекомендується звертатися до виробника матеріалів за допомогою в розрахунку енергоефективності будівлі.