Термическое сопротивление стенки: формула и расчёт

Термическое сопротивление теплопроводности стенки показывает, насколько сильно материал и толщина слоя мешают проходить через него тепловому потоку. Чем оно больше, тем меньше тепла уходит наружу зимой при той же разнице температур внутри и снаружи, и тем теплее в помещении при прочих равных. Понятие используется и в задачах по теплотехнике, и на практике: именно через сумму термических сопротивлений слоёв стены нормируют требования к теплоизоляции зданий. Разберём, откуда берётся формула сопротивления одного слоя, как складывать сопротивления многослойной стены, что добавляют коэффициенты теплоотдачи поверхностей и как всё это связано с плотностью теплового потока. Ниже - калькулятор, который сразу считает сопротивление стены по выбранным материалам и толщинам, а дальше разберём каждую формулу подробно.
Термическое сопротивление одного слоя
Для плоской однородной стенки толщиной из материала с коэффициентом теплопроводности термическое сопротивление теплопроводности определяется как
Величина измеряется в м²·К/Вт. Формула следует напрямую из закона Фурье: плотность теплового потока через плоскую стенку в стационарном режиме равна , где - разность температур на противоположных поверхностях слоя. Если переписать это как , видно, что играет ту же роль, что сопротивление в законе Ома: чем оно больше, тем сильнее падает температура при заданном потоке. Отсюда и название - термическое сопротивление, а вся конструкция расчёта многослойной стены прямо повторяет расчёт последовательной электрической цепи.
Ключевое следствие: сопротивление растёт с толщиной и падает с ростом теплопроводности материала. Кирпичная стена толщиной 38 см с Вт/(м·К) даёт м²·К/Вт, а слой минеральной ваты толщиной всего 10 см при Вт/(м·К) даёт м²·К/Вт - вчетверо больше при в разы меньшей толщине. Именно поэтому эффективная теплоизоляция стен строится не на утолщении несущей стены, а на добавлении отдельного слоя утеплителя с низкой теплопроводностью.
Сопротивление многослойной стены
Реальная стена почти всегда многослойная: несущий слой (кирпич, бетон, дерево), утеплитель и отделка. Поскольку тепловой поток проходит все слои последовательно и в стационарном режиме одинаков в каждом сечении, термические сопротивления слоёв складываются так же, как последовательные электрические сопротивления:
На видео виден главный практический вывод: тепловой поток через все слои один и тот же, а вот падение температуры на каждом слое пропорционально его сопротивлению. Поэтому в слое с большим - обычно это утеплитель - температура падает сильнее всего, а несущая стена и отделка почти не участвуют в перепаде. Это же правило работает и в обратную сторону при поиске слабого места конструкции: если в стене есть тонкий мостик холода с низким (перемычка, крепёж), именно через него уходит непропорционально много тепла.
Полное сопротивление теплопередаче
Сопротивление слоёв - не единственная часть пути тепла. У поверхностей стены есть тонкие пограничные слои воздуха, через которые тепло передаётся уже не только теплопроводностью, но и конвекцией с излучением. Их вклад учитывают через коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей и , а полное сопротивление теплопередаче стены - это
Для стен жилых зданий обычно берут нормативные значения Вт/(м²·К) и Вт/(м²·К) для зимних условий - это готовые справочные величины, которые не нужно выводить заново в каждой задаче. Слагаемые и обычно малы по сравнению с сопротивлением утеплителя (доли и сотые доли м²·К/Вт против единиц), но в расчётах теплопотерь их не отбрасывают - норматив требует именно , а не сумму по слоям без плёнок.

Полное сопротивление напрямую задаёт плотность теплового потока через стену:
где - разность температур внутри и снаружи, - площадь стены, а - полная мощность теплопотерь. Формула симметрична закону Ома: разность температур играет роль напряжения, тепловой поток - роль тока, а - сопротивления цепи.
Нормативное требование и проверка утеплителя
Строительные нормы задают минимально допустимое сопротивление теплопередаче стены для конкретного региона - оно зависит от градусо-суток отопительного периода и растёт для более холодного климата. Для средней полосы России ориентировочное требование к стенам жилых зданий - около 3,2 м²·К/Вт. Типичная задача - проверить, достаточна ли выбранная толщина утеплителя, чтобы получившееся не оказалось ниже норматива.
Если R0 меньше требуемого, увеличивать нужно именно слой с наименьшей теплопроводностью - толщину утеплителя, а не несущей стены: прирост сопротивления на сантиметр толщины у утеплителя в 15-40 раз больше, чем у кирпича или бетона.
Пример решения типовой задачи
Возьмём трёхслойную стену: несущий слой - кирпич глиняный толщиной м с Вт/(м·К); утеплитель - минеральная вата толщиной м с Вт/(м·К); отделка - штукатурка толщиной м с Вт/(м·К). Внутри , снаружи , площадь стены м².
Сначала находим сопротивление каждого слоя:
Добавляем сопротивления плёнок при нормативных и Вт/(м²·К):
Полученное немного не дотягивает до требуемых 3,2 м²·К/Вт - утеплитель нужно увеличить примерно до 11 см вместо 10. Тепловой поток при таком и разности температур :
То есть при заданных условиях через 10 квадратных метров такой стены уходит около 156 Вт тепла - величина сопоставима с мощностью одной лампы накаливания, но набирается со всей площади ограждающих конструкций здания.
Частые ошибки
- Забыли добавить сопротивления поверхностей. - это не только сумма по слоям, но обязательно плюс и . Без них результат занижен, особенно заметно на тонких стенах.
- Перепутали теплопроводность материала стены и утеплителя. У кирпича и бетона на порядок больше, чем у современных утеплителей - подстановка не того значения меняет ответ в разы.
- Складывают толщины вместо сопротивлений. Нельзя просто сложить и поделить на одно эффективное - у каждого слоя своя теплопроводность, складывать нужно именно отношения .
- Путают термическое сопротивление слоя и сопротивление теплопередаче . Это разные величины: первая относится к одному слою или к сумме слоёв без плёнок, вторая включает и поверхности. В нормативных документах фигурирует именно .
- Не переводят единицы толщины. Толщина в формуле берётся в метрах, а не в сантиметрах или миллиметрах - забытый перевод даёт результат, заниженный в 100 или 1000 раз.
FAQ
Чем термическое сопротивление отличается от коэффициента теплопроводности? Коэффициент теплопроводности - это свойство материала (Вт/(м·К)), не зависящее от толщины. Термическое сопротивление - характеристика конкретного слоя заданной толщины, растёт вместе с толщиной при том же материале.
Как посчитать сопротивление стены с несколькими одинаковыми слоями? Если несколько слоёв сделаны из одного материала, их толщины можно просто сложить и посчитать одно - результат совпадёт с суммой отдельных сопротивлений. Для разных материалов так делать нельзя.
Зависит ли термическое сопротивление от разности температур? Нет, и определяются только геометрией слоёв и теплопроводностью материалов. Разность температур влияет на тепловой поток , но не на само сопротивление, если теплопроводность материала не меняется заметно с температурой.
Коротко
Термическое сопротивление слоя стены равно , а сопротивления последовательных слоёв складываются: . Полное сопротивление теплопередаче добавляет к этой сумме плёнки поверхностей: . Именно сравнивают с нормативным значением и используют для расчёта теплового потока и теплопотерь . Основной практический вывод - усиливать нужно слой с наименьшей теплопроводностью, обычно утеплитель, а не несущую стену.
Читайте также

Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов
Адаптивная радиация: почему одна линия быстро расходится по экологическим нишам, примеры вьюрков и цихлид, условия процесса, таблица и отличия от простого расселения.

Активные формы кислорода: виды, источники и защита
Активные формы кислорода: супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Источники АФК, реакция Фентона, ферменты защиты и редокс-сигналинг.

Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК
Как аминоацил-тРНК-синтетаза выбирает аминокислоту и тРНК, зачем реакция идёт в два этапа, почему тратятся две макроэргические связи и как работает редактирование.

Антивитамины: механизмы и примеры
Антивитамины: чем структурные аналоги отличаются от связывающих и разрушающих агентов. Разбираем сульфаниламиды, метотрексат, дикумарол, авидин и тиаминазу.

Апоптоз и некроз: отличия двух форм гибели клеток
Разбираем отличия апоптоза и некроза: морфологию, воспаление, каспазы, внешний и внутренний пути, роль цитохрома c, Bcl-2, фагоцитоза и лабораторных маркеров.

Артерии эластического и мышечного типа
Артерии эластического и мышечного типа: три оболочки стенки, эластические мембраны, гладкие миоциты, смешанные артерии, сосуды сосудов и атеросклероз.