Toplotna provodljivost, koeficijent i parametri

Da li će izolacija objekta biti dobra zavisi prvenstveno od dve stvari – da li je kvalitetno urađena i koliko je dobar materijal za termoizolaciju. Ovo drugo pak zavisi od niza faktora. Najvažnije jesu termoizolacione karakteristike kao što je toplotna provodljivost.

Kao pokazatelj da je materijal dobar izolator najčešće se navodi koeficijent toplotne provodljivosti tog materijala. Ipak ovo nije jedini i dovoljan parametar koji daje uvid u termoizoacione karakteristike materijala i građevinskih konstruktivnih komponenata. Zato ćemo u daljem tekstu detaljno objasniti vrednosti koje se koriste da ocene termoizolacionu sposobnost i efikasnost materijala i rešenja za izolaciju.

Šta je toplotna provodljivost?

Različiti materijali različitom brzinom provode toplotu, a sama sposobnost materijala da provode toplotu jeste toplotna provodljivost. To je fizičko svojstvo materijala koje nema veze sa debljinom izolacione ploče. Toplotna provodljivost materijala zavisi od samog materijala – od njegove vrste, gustine, hemijskog sastava, agregatnog stanja, okolne temperature i pritiska.

Toplotna provodljivost materijala prikazuje se kroz koeficijent toplotne provodljivosti koji se označava sa ʎ. To je parametar koji se prikazuje na specifikacijama izolacionih materijala. To je ujedno podatak sa kojim se najčešće srećemo i koji kazuje kako materijal provodi toplotu. Što je ovaj koeficijent odnosno njegova vrednost niža, to je materijal bolji termoizolator.

Dobar materijal za izolaciju je onaj koji dugo zadržava toplotu odnosno ima nisku toplotnu provodljivost. Dakle, materijali koji imaju nisku vrednost koeficijenta toplotne provodljivosti koriste se za izolaciju. Oni sa visokom toplotnom provodljivošću koriste se u uređajima za hlađenje jer brže provode toplotu.

Toplotna provodljivost i koeficijent toplotne provodljivosti

Dakle, koeficijent toplotne provodljivosti ili ʎ vrednost pokazuju nam toplotnu provodljivost materijala. Ovaj koeficijent ustvari pokazuje količinu toplote koju u jedinici vremena propusti neki sloj materijala jedinične dužine, upravno na njegovu površinu, ako je razlika temperature izmedju graničnih površina materijala jedan stepen. Jedinica mere koeficijenta toplotne provodljivosti je W/mK odnosno Vat po metru Kelvin.

Materijali za toplotnu izolaciju sadrže mnogo mehurića vazduha zarobljenog unutar njih. Taj vazduh je ono što se suprotstavlja prolasku toplote kroz materijal i što omogućava da materijali zadržavaju toplotu. Upravo to ih čini dobrim izolatorima.

Toplotna provodljivost materijala zavisi od vrste i gustine materijala. Od dva materijala iste vrste veći koeficijent toplotne provodljivosti imaće onaj koji ima veću gustinu.

U vezi λ koeficijenta najvažnije je znati da što je niži koeficijent toplotne provodljivosti to je materijal bolji toplotni izolator. Kod nas su najčešći materijali za temorizolaciju stiropor i kamena vuna, a njihovi koeficijenti toplotne provodljivosti kreću se u istim granicama ʎ=0,035–0,040W/mK.

Toplotna provodljivost, koeficijent ʎ  za neke termoizolacione materijale

Materijal	Koeficijent toplotne provodljivosti (W/(m·K))
ovčija vuna	0,035–0,040
penasto staklo	0,060
stirodur	0,025–0,033
kamena vuna	0,035–0,040
stiropor	0,035–0,040
staklena vuna	0,032–0,045
zid od bala slame*	0,13
drvo	0,040–0.050
aerogel	0,013
ekspandirana glina	0,10–0,18
celuloza	0,037–0,038
konoplja	0,038–0,043

Toplotna provodljivost – koeficijent ʎ za različite materijale

Materijal	Koeficijent toplotne provodljivosti (W/(m·K))
beton	2
laki beton	0,35
puna opeka	0,80
šuplja opeka	0,35
granit	3,50
ploče od gipsa	0,50
bakar	385
zlato	320
aluminijum	205
mesing	109
platina	70
čelik	50-58
olovo	35
živa	8,3
kvarc	8
led	1,6
staklo	0,8
voda	0,6
keramičke pločice	1
drvene izolacione ploče	0,04-0,050
bukva i hrast	0,20
jela i bor	0,14
vuna	0,035-0,040
stiropor	0,035-0,04
vazduh (300K, 100kPa)	0,026

Toplotna otpornost – R vrednost

U praksi toplotna provodljivost materijala nije dovoljna da pokaže sve toplotne karakteristike termoizolacionog materijala za toplotnu izolaciju. Kako bi se videla termoizolaciona karakteristika određenog materijala mora se uzeti u obzir i debljina materijala tj. debljina izolacione ploče. Tu na scenu stupa toplotna otpornost ili R vrednost.

Toplotna otpornost pokazuje odnos debljine termoizolacionog materijala i toplotne provodljivosti. R vrednost se dobija kada se debljina materijala podeli koeficijentom toplotne provodljivosti R = d/ʎ. Jedinica mere za toplotnu otpornost odnosno R vrednost je m²K/W. Što je ova vrednost veća, to je materijal bolji za izolaciju.

R vrednost je način da se uporede dva izolaciona materijala kad se imaju vrednosti toplotne provodljivosti za svaki i da se vidi uticaj dodavanja debljih slojeva istog izolacionog materijala.

Ukupna toplotna otpornost – R_T vrednost

Kada treba da se odredi toplotna otpornost celog zida, moraju da se uzmu u obzir sve komponente tog zida, a ne samo izolacioni materijal. Tako se dobija ukupna otpornost – zbir toplotnih otpornosti svake pojedinačne komponente konstruktivne sekcije. Jedinica mere je m²K/W.

Na primer, za jedan fasadni zid prilikom računanja njegovog ukupnog otpora propuštanja toplote moraju se uzeti u obzir termički uslovi na unutrašnjoj iliti toploj i spoljašnjoj iliti hladnoj strani zida. Ukupna toplotna otpornost uključuje površinsku toplotnu otpornost na obe strane sekcije.

Toplotna provodnost – C vrednost

Kako bi se toplotna provodljivost dva materijala lakše upoređivala, uvedena je i veličina toplotna provodnost materijala. Veličina recipročna odnosno suprotna toplotnoj otpornosti (C=1/R) koja pokazuje odnos toplotne provodljivosti i debljine materijala. Jedinica mere joj je W/m²K.

Toplotni prenos – U vrednost

Toplotna provodljivost i otpornost su parametri koji pokazuju termoizolacione karakteristike samog materijala. Kako bi se sagledala termosposobnost čitave konstruktivne sekcije, na primer zida, posmatra se toplotni prenos. Toplota ulazi i izlazi iz objekta na nekoliko načina, a R-vrednost uzima u obzir samo provodljivost.

Toplotni prenos (U-vrednost) pokazuje količinu toplote koja prođe kroz konstruktivnu sekciju između unutrašnje i spoljašnje klime za jedinicu površine i temperature. Jedinica mere je W/m²K. Zbog jedinice mere često se meša sa topltonom provodnosti odnosno C vrednošću iako ne pokazuju iste veličine.

U vrednost se naziva ukupni koeficijent prolaska toplote. Predstavlja recipročnu vrednost ukupne toplotne otpornosti U=1/R_T.

Toplotni prenos pokazuje energetsku efikasnost materijala u jednoj konstruktivnoj komponenti ili sekciji. Što je manja izabrano rešenje je, u smislu toplotne izolacije i uštede energije, bolje.

U i R_T vrednost služe da se porede konstruktivna rešenja i da bi se u različitim građevinskim normama uspostavili standardi za gradnju.

Toplotna provodljivost – zaključak

Kako bi se zadovoljili zahtevi energetske efikasnosti i gubici energije sveli na minimum nije dovoljno samo izabrati odličan materijal za termoizolaciju. Potrebno je i dobro izvesti izolaciju, ali i sagledati sveukupne termičke sposobnosti izabranog rešenja za termoizolaciju određene konstruktivne sekcije.

Kada govorimo o termoizolacionoj sposobnosti materijala pominjemo toplotnu provodljivost – sposobnost materijala da provodi toplotu. Ona se iskazuje uz pomoć koeficijenta toplotne provodljivosti ʎ. Što je vrednost ovog koeficijenta niža, to je materijal bolji termoizolator.

Ovaj koeficijent nije dovoljan da bismo sagledali kakav će materijal biti termoizolator jer moramo uključiti i debljinu materijala. Tada koristimo toplotnu otpornost iliti R vrednost koja predstavlja odnos debljine materijala i toplotne provodljivosti. Što je ova vrednost viša, materijal je bolji izolator. Uz pomoć R vrednosti dobijamo C vrednost ili toplotnu provodnost uz pomoć koje mogu da se upoređuju topolotne provodljivosti dva različita materijala.

Na kraju kako bi se sagledala termoizolaciona sposobnost čitave konstruktivne sekcije posmatra se toplotni prenos ili U vrednost. Što je manja, to je izabrano rešenje za termoizolaciju bolje.