Высокой теплоемкостью значительно быстрее кирпичных. Теплоаккумулирующая способность материалов. Что это такое

Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью , т.е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем - гальку, гравий и т.п. Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м 3 , в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м 3 .

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:

• нефть - 11,3;
• уголь (условное топливо) - 8,1;
• водород - 33,6;
• древесина - 4,2.

При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции - десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14…17 Вт*ч/кг, а в воде - 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление - затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:

• лед (таяние) - 93;
• парафин - 47;
• гидраты солей неорганических кислот - 40…130.

К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов - бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м 3) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2. Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м 3 выше (2328,8 кДж/м 3), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м 3).

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.

Из рисунка видно, что строительные материалы с меньшей плотностью обладают меньшим коэффициентом теплопроводности.
Однако так бывает не всегда. Например, существуют волокнистые виды теплоизоляции, для которых действует противоположная закономерность: чем меньше плотность материала, тем выше будет коэффициент теплопроводности.

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.

Теплоемкость и теплопроводность материалов

Теплопроводность – это физическая величина материалов, описывающая способность проникновения температуры с одной поверхности стены на другую.

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.

Сфера применения материала определяется его эксплуатационными характеристиками. Комплекс рассматриваемых свойств должны соответствовать требованиям, предъявляемых строительному кирпичу при сооружении внешних стен, перекрытий, фундамента. Возведение конструкций подразумевает выбор изделий различного назначения:

• Силикатный – рядовой, лицевой, пустотелый, полнотелый.
• Керамический – жаростойкий и все разновидности предыдущего вида.
• Клинкерный – для облицовки фасадов.

Показатели определяют энергопотребление дома, затраты на обогрев помещений. Проектирование сооружений, расчеты ограждающих конструкций учитывают эти параметры.

Коэффициент теплопроводности

Материалы обладают свойством проводить тепло от нагретой поверхности в более холодную область. Процесс происходит в результате электромагнитного взаимодействия атомов, электронов и квазичастиц (фононы). Основной показатель величины – коэффициент теплопроводности (λ, Вт/), определяемый как количество теплоты, проходящее через единицу площади сечения за единичный интервал времени. Малое значение положительно влияет на сохранение теплового режима.

Согласно ГОСТ 530-2012 эффективность кладки в сухом состоянии характеризуется коэффициентом теплопроводности:

• ≤ 0.20 – высокая;
• 0.2 < λ ≤ 0.24 – повышенная;
• 0.24 — 0.36 – эффективная;
• 0.36 — 0.46 – условно-эффективная;
• ˃ 0.46 – обыкновенная (малоэффективная).

Чем больше плотность, тем выше теплопроводность – не совсем верное утверждение. Структура содержит закрытые поры и полости (пустотелый), наполненные воздухом с коэффициентом ≈ 0,026. Благодаря этому, изделия со щелевыми отверстиями лучше поддерживают тепловой режим внутри сооружений. В инженерных расчетах необходимо учитывать величину теплопроводности кладочной смеси, значение показателя выбирают от 0.47 и выше, в зависимости от состава.

Теплопроводность красного изделия ниже, чем у силикатного.

Физические процессы нагрева и удержания тепла можно охарактеризовать величинами:

• Коэффициент теплоотдачи – теплообмен на границе поверхности твердого тела и воздушной среды. Это мощность теплового потока, приходящаяся на плоскость 1 м², обратно пропорциональная разнице температур тела и теплоносителя (воздух). Чем выше теплопроводность, тем больше теплоотдача.
• Полное тепловое сопротивление – способность противостоять передаче тепла. Значение обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи. Исходя из расчетной формулы R = L/λ, легко рассчитать оптимальную толщину кладки. λ – постоянный параметр, R – тепловое сопротивление указано в таблице 4 СП 131.13330.2012 для климатических зон России.

Теплоемкость

Необходимое количество тепла, подведенного к телу для увеличения температуры на 1 Кельвин – определение понятия «полная теплоемкость». Единица измерения: Дж/К или Дж/°C. Чем больше объем и масса тела (толщина стен и перекрытий), тем выше теплоемкость материала, лучше поддерживается благоприятный температурный режим. Наиболее точно это свойство подтверждают характеристики:

• Удельная теплоемкость кирпича – количество тепла, необходимое для нагрева единичной массы вещества за единичный интервал времени. Единица измерения: Дж/кг*К или Дж/кг*°C. Используется для инженерных расчетов.
• Объемная теплоемкость – количество тепла, потребляемое телом единичного объема для нагрева за единицу времени. Измеряется в Дж/м³*К или Дж/кг*°C.

Тепловая конвекция непрерывна: радиаторы нагревают воздух, который передает тепло стенам. При понижении температуры в помещениях происходит обратный процесс. Увеличение удельной теплоемкости, снижение коэффициента теплопроводности стен обеспечивают сокращение затрат на обогрев дома. Толщина кладки может быть оптимизирована рядом действий:

• Применение теплоизоляции.
• Нанесение штукатурки.
• Использование пустотного кирпича или камня (исключено для фундамента здания).
• Кладочный раствор с оптимальными теплотехническими параметрами.

Таблица с характеристиками различных видов кладок. Использованы данные СП 50.13330.2012:

Морозостойкость кирпичной кладки

Устойчивость к воздействию отрицательных температур – показатель, влияющий на прочность и долговечность конструкции. Кладка в процессе эксплуатации насыщается влагой. В зимний период вода, проникая в поры, превращается в лед, увеличивается в объеме и разрывает полость, в которой находится – происходит разрушение. Морозоустойчивость, как правило, низкая, водопоглощение не должно превышать 20 %.

Определение количества циклов замораживания и оттаивания без потери прочности каждого вида изделия позволяет выявить морозоустойчивость (F). Значение получают опытным путем. В лаборатории проводят многократную заморозку в холодильных камерах и естественное оттаивание образцов.

Коэффициент морозостойкости – отношение прочности на сжатие опытного и исходного элемента. Изменение показателя более 5 %, наличие трещин, отколов сигнализируют об окончании испытаний. Марки изделий содержат характеристики по морозостойкости: F15 (20, 25, 35, 50, 75, 100, 150). Цифровой параметр указывает на количество циклов: чем выше число, тем надежнее возводимая система.

Приобретение кирпича высокой марки морозостойкости опустошит бюджет, заложенный на строительство. Меры по улучшению свойств конструкций, продлению срока эксплуатации в зонах холодного климата без увеличения расходов:

• Применение паро- и гидроизоляции.
• Обработка кладки гидрофобными составами.
• Контроль, своевременное исправление дефектов.
• Надежная гидроизоляция фундамента.

От выбора материала для кладки, его удельной теплоемкости, теплопроводности, морозостойкости зависит срок и комфорт эксплуатации дома. Сложные расчеты, составление сметы расходов лучше доверить опытным специалистам, имеющим опыт в строительстве и проектировании.

Выбор кирпича как строительного материала для возведения стен любых помещений, печей или каминов осуществляют на основании его свойств, связанных со способностью проводить, удерживать тепло или холод, выносить воздействие высоких или низких температур. Самые важные теплотехнические характеристики: коэффициент теплопроводности, теплоемкость и морозостойкость.

Под этим названием прежде понимали лишь элементы стандартного размера (250х120х65) из обожженной глины. Сейчас производят и продают строительные изделия, изготовленные из любых пригодных компонентов, имеющие форму правильного параллелепипеда и размеры, схожие с габаритами классического керамического варианта.

Основные разновидности:

• керамический рядовой (строительный) - классический камень красного цвета из обожженной глины;
• керамический лицевой - отличается лучшими внешними качествами, повышенной устойчивостью к атмосферным воздействиям, обычно имеет внутри полости;
• силикатный полнотелый - светло-серого цвета из прессованной песчано-известняковой смеси, уступает керамическому по всем показателям (в том числе теплотехническим), кроме прочности;
• силикатный пустотный - отличается наличием полостей, повышающих способность стен сохранять тепло;
• гиперпрессованый - из цемента с пигментами, придающими оттенки натурального материала, заполнителями смеси являются крошка известняка, мрамора, гранулы доменного шлака;
• шамотный - предназначен для кладки печей, каминов, дымоходов;
• клинкерный - отличается от обычного тем, что при его производстве используют особые сорта глины и более высокие температуры обжига;
• теплая керамика (поризованный камень) - ее характеристики намного превосходят теплопроводность красного кирпича, это достигается за счет наличия в глиняной массе пор, заполненных воздухом, и особой конструкции элемента, имеющего большое количества пустот внутри.

Коэффициент теплопроводности

Теплопроводность вещества - количественная характеристика его способности проводить энергию (тепло). Для ее сравнения у разных строительных материалов используют коэффициент теплопроводности - количество теплоты, проходящей через образец единичных длины и площади за единицу времени при единичной разнице температур. Измеряется в Ватт/метр*Кельвин (Вт/м*К).

При выборе кирпича для возведения стен на показатель теплопроводности обращают внимание, так как от него зависит минимально допустимая толщина конструкции. Чем меньше значение, тем лучше стена удерживает тепло и тем тоньше она может быть, экономнее расход. Этот же параметр учитывают, подбирая вид утеплителя, размер его слоя и технологию.

Теплопроводность зависит от таких факторов:

• материал: лучшие показатели - у теплой поризованной керамики, худшие - у гиперпрессованного или силикатного кирпича;
• плотность - чем она выше, тем хуже удерживается тепло;
• наличие пустот в изделиях - полости внутри щелевого стенового камня после выполнения монтажа заполняет воздух, за счет этого лучше сохраняются тепло или прохлада в помещении.

По коэффициенту теплопроводности в сухом состоянии различают следующие виды кладок:

• высокоэффективные - до 0,20;
• повышенной эффективности - от 0,21 до 0,24;
• эффективные - от 0,25 до 0,36;
• условно-эффективные - от 0,37 до 0,46;
• обыкновенные - более 0,46.

При выполнении расчетов, выборе лицевого и строительного кирпича и утеплителя учитывают, что способность стены проводить тепло зависит не только от свойств материала, но и характеризуется коэффициентом теплопроводности раствора и толщиной швов.

Теплоемкость

Это количество теплоты (энергии), которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 Кельвин. Единица измерения этого показателя - Джоуль на Кельвин (Дж/К). Удельная теплоемкость - ее отношение к массе вещества, единица измерения - Джоуль/кг*Кельвин (Дж/кг*К). У кирпича ее значение - от 700 до 1250 Дж/кг*К. Более точные цифры зависят от материала, из которого изготовлен конкретный вид.

Параметр влияет на расход энергии, требуемой для отопления дома: чем ниже значение, тем быстрее прогревается помещение и тем меньше средств уйдет на оплату. Он особенно важен, если проживание в доме непостоянное, то есть периодически требуется прогревать стены. Лучший вариант - силикат, но точные расчеты рекомендуется поручить специалисту. Необходимо учитывать не только теплоемкость стены, но и ее толщину, теплоемкость кладочного раствора, ширину швов, особенности расположения помещения и коэффициент теплоотдачи.

Морозостойкость

Выражается в количестве циклов замораживания-оттаивания, которое элемент выдерживает без существенных ухудшений свойств. Значение имеет не нижний уровень температуры, а именно частота замораживания влаги в порах. Вода, превратившись в лед, расширяется, что способствует разрушению камня.

Обычно морозостойкость обозначают индексом, который содержит большую латинскую букву F и цифры. Например: маркировка F50 указывает на то, что этот материал начинает терять прочность не ранее, чем через 50 циклов замораживания-оттаивания. Возможные марки кирпича по морозостойкости (ГОСТ 530-2012): F25; F35; F50; F100; F200; F300. Ориентируясь на обозначенную цифру, нужно понимать, что количество циклов не совпадает с количеством сезонов.

В некоторых регионах в течение одной зимы может многократно происходить резкая смена температур. Для несущих стен рекомендуют использовать минимум F35, для облицовки - от F75. Варианты с более низкими показателями пригодны только для регионов с мягким климатом.

Прежде чем ответить на главный вопрос — вредный ли шамотный кирпич, необходимо понять, что это за строительный материал, в каких областях и конструкциях применяется и из каких компонентов производится.

Чаще всего шамотный кирпич используется при сооружении печей и каминов.

Обычный кирпич, используемый в строительстве, не подходит для конструкций, которые постоянно подвергаются действию высоких температур. Для подобных условий применяются кирпичи из огнеупорных материалов, самым популярным из которых является шамотный кирпич . Без его использования сложно представить и частное, и промышленное строительство.

Специфичный песочно-желтый окрас и крупнозернистая структура делают шамотный кирпич легко узнаваемым. Необычные свойства материалу придает технология изготовления, в ходе которого исходное сырье формуется и обжигается при высоких температурах. Причем их уровень на каждой стадии в обязательном порядке строго контролируется.

Высокие показатели (теплоемкость и огнестойкость) достигаются особым составом исходного сырья. Шамотный кирпич изготавливают из специальных марок глины (которые и носят название «шамот») с применением некоторых добавок, в частности, оксида алюминия. Именно он «отвечает» за прочность и стойкость строительного материала и, самое главное, пористость, от которой напрямую зависит теплоемкость шамотного кирпича.

Понятно, что чем больше добавляется оксида алюминия, тем выше пористость материала и, соответственно, ниже прочность. Найти баланс между этими двумя показателями — самое главное в производстве шамотного кирпича, да и теплоемкость от этого тоже зависит.

Недостатки

Исходя из вышесказанного, можно сделать однозначный вывод — миф о вредности шамотного кирпича не имеет под собой никакого фактического обоснования. Более того, трудно даже просто объяснить причину его возникновения. Вполне возможно, что материал невольно «пострадал» из-за того, что само производство шамотного кирпича, как и большинства других строительных материалов, особенно до прихода современных технологий, зачастую не являлось образцом для подражания защитникам окружающей среды.

Как бы то ни было, опыт многолетней эксплуатации материала позволяет однозначно утверждать, что при воздействии высоких температур (даже предельно высоких) не происходит выделения абсолютно никаких вредных для человека веществ. Трудно ожидать иного, особенно учитывая то, что при производстве шамотного кирпича применяется материал, в экологической чистоте которого сложно усомниться, а именно глина. Можно даже провести параллель с глиняной посудой, которая сопровождает человека множество сотен лет.

Означает ли это, что шамотный кирпич не имеет недостатков? Конечно же, нет. Можно отметить несколько основных:

1. Блоки шамотного кирпича трудно обрабатывать и резать из-за высокой прочности. Этот минус частично нивелируется многообразием форм блоков шамотного кирпича, позволяющих добиваться практически любых дизайнерских изысков без резки материала.
2. Даже в одной партии изделия заметны отклонения в размерах кирпичей, а добиться большей унификации блоков проблематично из-за особенностей технологии производства.
3. Дороговизна материала в сравнении с обычным кирпичом. Избежать этого недостатка также невозможно: условия эксплуатации требуют применение подходящего материала. Использование обычного, не огнеупорного кирпича резко снижает срок службы конструкции либо требует применения дополнительных средств его обработки.

Характеристики

Шамотный кирпич просто незаменим в сфере частного строительства при возведении печей и каминов. Но для того, чтобы конструкция эксплуатировалась долгие годы, необходим качественный материал. Это особенно актуально именно для частников, так как крупные промышленные предприятия имеют больше возможностей по контролю применяемых в строительстве материалов.

И-за высокой прочности шамотный кирпич сложно резать и обрабатывать.

Все показатели шамотного кирпича — от прочности до морозостойкости, от пористости до плотности строго регламентируются государственными стандартами. Стоит отметить, что в последние годы часть производителей при производстве шамотного кирпича руководствуется собственными техническими условиями. В результате по ряду параметров возможны некоторые расхождения. Поэтому при приобретении материала необходимо в обязательном порядке проверять сертификат соответствия на качество продукции.

Следует обратить особое внимание на вес кирпичей. Чем он меньше, тем выше теплопроводность и, соответственно, ниже теплоемкость. Оптимальная масса огнеупорного блока определена ГОСТом в пределах 3,7 кг.

Виды и маркировка

Современные заводы-производители предлагают большое количество самых различных видов шамотного кирпича, которые различаются по массе и форме, технологии производства и степени пористости.

Стандартными по форме прямым и арочным блоками разнообразие форм шамотного кирпича далеко не заканчивается.

Большое распространение получили трапецеидальный и клиновидный, способные удовлетворить любые требования к конструктивным элементам.

В зависимости от показателя степени пористости, шамотный кирпич может варьироваться от особо плотного (менее 3% пористости) до ультралегковесного (пористость — 85% и более).

Основные характеристики очень просто определить по маркировке огнеупорного кирпича , которая в обязательном порядке наносится на каждый блок. В настоящее время выпускаются следующие марки:

1. ШВ, ШУС.

Теплопроводность шамотного кирпича этих разновидностей позволяет применять их в промышленности — для футеровки стен газоходов парогенераторов и конвективных шахт.

1. ША, ШБ, ШАК.

Самые универсальные и в силу этого популярные огнеупорные блоки, используемые в большинстве своем частниками. Применяются особенно часто при кладке каминов и печей. Могут использоваться при температурах до 1690 градусов. Кроме того, обладают высокой прочностью.

Используются при строительстве агрегатов по производству кокса.

Легковесная разновидность материала, используемая для футеровки печей с относительно невысокой температурой нагрева — не более 1300 градусов. Небольшой вес огнеупорных блоков достигается ростом показателя пористости.

//www.youtube.com/watch?v=HrJ-oXlbD5U

Именно маркировку при приобретении материала необходимо изучать в первую очередь, что позволит любому строителю выбрать именно тот вид шамотного кирпича, который наиболее подходит для особенностей конструкции. А изучив приведенную информацию, любой может быть уверен в том, что шамотный кирпич не представляет никакой опасности для человека, а тем более мифического вреда.