Теория теплопередачи – основа строительства
Современные физики говорят о 3 явлениях, выражающих теплопередачу, – теплопроводности, излучении и конвекции. Каждое из них обладает собственными характеристиками. Так, при определении свойств однородных твердых тел говорят о теплопроводности. Ее суть заключается в способности одного объекта передавать тепло другому при соприкосновении либо посредством промежуточного проводника (рис. 3).
Рис. 3. Теплопроводность как путь передачи тепла: 1 – штукатурка; 2 – кирпичная кладка
Все строительные материалы можно условно разделить на группы в зависимости от данного параметра. Наиболее высокой теплопроводностью обладают такие материалы, как металл, железобетон и мрамор. А у воздуха этот показатель, наоборот, довольно низкий. Поэтому в настоящее время при возведении жилых построек для теплоизоляции часто применяют такие пористые материалы, как полиуретан, пенопласт, пенобетон и т. п.
Явление конвекции можно наблюдать в газообразных и жидких средах. В данном случае передача тепла осуществляется через движение молекул. Один из наиболее ярких примеров конвекции можно увидеть, понаблюдав за поверхностями двойного остекления оконного проема (рис. 4).
Рис. 4. Конвекция, возникающая при двойном остеклении оконного проема
При нагревании вследствие контакта с внутренним стеклянным полотном воздушные массы устремляются вверх. Там их температура резко снижается, и они опус каются. Процесс повторяется вновь и вновь. Такая циркуляция воздуха обусловливает возникновение процесса конвекционной теплоотдачи. При этом его скорость напрямую зависит от разницы температур: чем она больше, тем интенсивнее будет протекать конвекция.
Данное явление нередко наблюдается и в газообразной среде. Там же может возникать теплопередача, при которой тепло переходит с поверхности одного тела на поверхность другого через пространство. Наглядным примером такого обмена в газообразной среде является нагревание нашей планеты солнечными лучами. В данном случае тепловая энергия поступает на Землю с Солнца в форме электромагнитного излучения.
Другим примером теплопередачи в газообразной среде является нагревание внутренних стен помещений постройки через воздух с помощью радиаторов центрального отопления. При этом наблюдается прямая связь между температурой отопительных приборов и температурой в комнате. Чем горячее радиаторы, тем выше температура в помещении.
В том случае, когда молекулы и атомы ускоряют движение (вращательное или поступательное), температура тела, которое они составляют, становится выше отметки абсолютного нуля. При этом оно начинает излучать тепло, часть которого отражается, а остальное поглощается.
Описанное выше свойство характерно и для строительных материалов. Обладающие им вещества получили наименование «серые». Помимо этого, существуют белые (отражающие энергию) и черные (поглощающие ее) строительные материалы. Это обязательно нужно учитывать при их выборе для сооружения построек различных типов.
Предположим, предстоит возводить крышу и необходимо сделать выбор между рубероидом и оцинкованной сталью. Рубероид, имеющий шероховатую и темную поверхность, даст покрытие, которое в летний период будет довольно сильно нагреваться под действием солнечных лучей, передавая поглощенное тепло помещениям, располагающимся под крышей. В результате этого происходит перегрев внутренних комнат. Сквозь стены тепло уходит из-за того, что они состоят из материалов, обладающих определенной теплопроводностью. Интенсивность процесса зависит от коэффициента теплопроводности. При этом материалы с высокими показателями способны пропускать большее количество тепла. А это означает, что они имеют низкие теплоизолирующие качества.
На основании показателей теплопроводности все строительные материалы, используемые для возведения построек разного назначения, условно можно разделить на несколько групп. В приведенной ниже табл. 1 представлены наиболее распространенные в строительстве материалы и указаны коэффициенты их теплопроводности. Следует отметить, что последний параметр находится в прямой зависимости от влажности воздуха.
Проанализировав эти данные, можно увидеть, что показатели коэффициента строительного материала напрямую зависят от его плотности: чем она больше, тем выше теплопроводность. Объяснить такое явление достаточно просто. Дело в том, что поры материала, имеющего большую плотность, минимально заполнены воздухом, характеризующимся низкой теплопроводностью. Вследствие этого можно делать вывод о том, что большее количество пор обусловливает повышение плотности материала, а также, коэффициента его теплопроводности.
Таблица 1 Коэффициент теплопроводности строительных материалов
В том случае, если наполнителем пор строительного материала становится влажный воздух, показатели теплопроводности увеличиваются. Это связано с тем, что у воды коэффициент теплопроводности в 20 раз больше, чем у воздушных масс. Причем увеличение уровня влажности воздуха неизменно влечет за собой повышение степени теплопроводности.
Ярким примером зависимости показателей теплопроводности от уровня влажности воздуха являются сырые подвальные помещения многоэтажных построек. Влажные воздушные массы постепенно проникают в верхние ярусы здания, в результате чего отсыревают и разрушаются перекрытия и стены. К тому же в этом случае температура воздуха на первом этаже постройки будет ниже, чем на более высоких этажах.
Подобное явление обусловлено значительным снижением уровня теплоизоляции конструкционных элементов сооружения вследствие повышения (даже незначительного, около 5–6 %) их влажности. В результате при температуре воздуха снаружи –20° C и +20° C во внутренних помещениях +20° C температура сухого перекрытия будет составлять не более 14° C. А при повышении уровня его влажности данный показатель снизится до 12° C.
Для того чтобы предотвратить преждевременное разрушение конструкционных элементов постройки и обеспечить достаточно продолжительный срок ее эксплуатации, при ее возведении следует применять исключительно сухие строительные материалы. Это обязательное условие получения качественной, надежной и теплой постройки. Кроме того, при планировке ограждающие части необходимо устанавливать и изолировать таким образом, чтобы защитить их от воздействия влаги вследствие образования конденсата.
