Wartość R (izolacja) - R-value (insulation)

Aerożel jest niezwykle dobrym izolatorem termicznym, który przy ciśnieniu jednej dziesiątej atmosfery ma współczynnik R-40/m w porównaniu z R-3,5/m dla koca z włókna szklanego.

Zainstalowana licowana izolacja z włókna szklanego z widoczną wartością R (R-21)

W kontekście budowlanym wartość R jest miarą tego, jak dobrze dwuwymiarowa bariera, taka jak warstwa izolacji, okno lub cała ściana lub sufit, jest odporna na przewodzący przepływ ciepła. Wartość R to różnica temperatur na jednostkę strumienia ciepła potrzebna do utrzymania jednej jednostki strumienia ciepła między cieplejszą powierzchnią a zimniejszą powierzchnią bariery w warunkach stanu ustalonego .

Wartość R jest terminem stosowanym w budownictwie dla oporu cieplnego „na jednostkę powierzchni”. Czasami jest oznaczany jako wartość RSI, jeśli używane są jednostki SI . Wartość R można podać dla materiału (np. dla pianki polietylenowej ) lub dla zespołu materiałów (np. ściana lub okno). W przypadku materiałów często wyraża się to w postaci wartości R na metr. Wartości R są dodatkiem do warstw materiałów, a im wyższa wartość R, tym lepsze osiągi.

Współczynnik U lub wartość U jest całkowitym współczynnikiem przenikania ciepła i można go znaleźć, biorąc odwrotność wartości R. Jest to właściwość, która opisuje, jak dobrze elementy budowlane przewodzą ciepło na jednostkę powierzchni w gradiencie temperatury. Elementy to zwykle zespoły składające się z wielu warstw materiałów, takich jak te, które tworzą przegrodę zewnętrzną budynku . Jest on wyrażony w watach na metr kwadratowy kelwin (W / m ² ⋅K). Im wyższa wartość U, tym mniejsza odporność przegród zewnętrznych budynku na przenikanie ciepła. Niska wartość U lub odwrotnie wysoka wartość R zwykle wskazuje na wysoki poziom izolacji. Są one przydatne, ponieważ pozwalają przewidzieć zachowanie kompozytu całego elementu budynku, a nie polegać na właściwościach poszczególnych materiałów.

Definicja wartości R

${\ Displaystyle R_ {\ tekst {val}} = {\ Frac {\ Delta T} {\ phi _ {q}}}}$

gdzie:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$( K ⋅ m ² / W ) jest wartością R,
• ${\ Displaystyle \ Delta T}$ (K) to różnica temperatur między cieplejszą i zimniejszą powierzchnią bariery,
• ${\ Displaystyle \ phi _ {q}}$(W/m ² ) to strumień ciepła przez barierę.

Wartość R na jednostkę odsłoniętej powierzchni bariery mierzy bezwzględny opór cieplny bariery.

${\ Displaystyle {\ Frac {R_ {\ tekst {val}}} {A}} = R}$

gdzie:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$jest wartością R (K⋅W ^-1 ⋅m ² )
• ${\ Displaystyle A}$to eksponowana powierzchnia bariery (m ² )
• ${\ Displaystyle R}$to bezwzględny opór cieplny (K⋅W ⁻¹ )

Bezwzględny opór cieplny , , określa ilościowo różnicę temperatur na jednostkę natężenia przepływu ciepła niezbędną do utrzymania jednej jednostki natężenia przepływu ciepła. Czasami pojawia się zamieszanie, ponieważ niektóre publikacje używają terminu opór cieplny do określenia różnicy temperatur na jednostkę strumienia ciepła , podczas gdy inne publikacje używają terminu opór cieplny do określenia różnicy temperatur na jednostkę natężenia przepływu ciepła. Dalsze zamieszanie powstaje, ponieważ niektóre publikacje używają znaku R do oznaczenia różnicy temperatur na jednostkę strumienia ciepła, ale inne publikacje używają znaku R do oznaczenia różnicy temperatur na jednostkę natężenia przepływu ciepła. W tym artykule stosuje się termin bezwzględny opór cieplny dla różnicy temperatur na jednostkę natężenia przepływu ciepła i używa terminu wartość R dla różnicy temperatur na jednostkę strumienia ciepła. ${\ Displaystyle R}$

W każdym razie, im wyższa wartość R, tym większy opór, a więc lepsze właściwości termoizolacyjne bariery. Wartości R są używane do opisywania skuteczności materiału izolacyjnego oraz do analizy przepływu ciepła przez zespoły (takie jak ściany, dachy i okna) w warunkach stanu ustalonego. Przepływ ciepła przez barierę jest napędzany różnicą temperatur między dwiema stronami bariery, a wartość R określa ilościowo, jak skutecznie obiekt opiera się temu napędowi: Różnica temperatur podzielona przez wartość R, a następnie pomnożona przez odsłoniętą powierzchnię bariera daje całkowitą szybkość przepływu ciepła przez barierę, mierzoną w watach lub w BTU na godzinę.

${\ Displaystyle \ phi = {\ Frac {\ Delta T \ cdot A} {R_ {\ tekst {val}}}}}$

gdzie:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$jest wartością R (K⋅m ² /W),
• ${\ Displaystyle \ Delta T}$ to różnica temperatur (K) między cieplejszą i zimniejszą powierzchnią przegrody,
• ${\ Displaystyle A}$to eksponowana powierzchnia (m ² ) bariery,
• ${\displaystyle \phi}$ to natężenie przepływu ciepła (W) przez barierę.

Dopóki stosowane materiały są gęstymi ciałami stałymi w bezpośrednim, wzajemnym kontakcie, wartości R są addytywne; na przykład całkowita wartość R bariery złożonej z kilku warstw materiału jest sumą wartości R poszczególnych warstw.

Wartość RSI

Należy zauważyć, że wartość R jest terminem stosowanym w budownictwie dla tego, co w innych kontekstach nazywa się „ oporem cieplnym ” „dla powierzchni jednostki ”. Czasami jest określany jako wartość RSI, jeśli używane są jednostki SI (metryczne). Wartość R można podać dla materiału (np. dla pianki polietylenowej ) lub dla zespołu materiałów (np. ściana lub okno). W przypadku materiałów często wyraża się to w postaci wartości R na jednostkę długości (np. na cal grubości). To ostatnie może być mylące w przypadku izolacji termicznych budynków o małej gęstości, dla których wartości R nie sumują się: ich wartość R na cal nie jest stała, ponieważ materiał staje się grubszy, ale zwykle maleje.

Jednostki wartości R (patrz poniżej ) zwykle nie są wyraźnie określone, dlatego ważne jest, aby z kontekstu zdecydować, które jednostki są używane: wartość R wyrażona w jednostkach IP (cal-funt) jest około 5,68 razy większa niż wyrażony w jednostkach SI, tak że na przykład okno, które jest R-2 w jednostkach IP, ma RSI równy 0,35 (od 2/5,68 = 0,35). W przypadku wartości R nie ma różnicy między zwyczajowymi jednostkami amerykańskimi a jednostkami imperialnymi . Jeśli chodzi o sposób raportowania wartości R, wszystkie poniższe oznaczają to samo: „to jest okno R-2”; „to jest okno R2 ”; „to okno ma wartość R 2”; „to jest okno z R = 2” (i podobnie z wartościami RSI, które zawierają również możliwość „to okno zapewnia RSI 0,35 oporu przepływu ciepła”).

Pozorna wartość R

Im bardziej materiał jest z natury zdolny do przewodzenia ciepła, co wynika z jego przewodności cieplnej , tym niższa jest jego wartość R. Z drugiej strony im grubszy materiał, tym wyższa jego wartość R. Niekiedy inne niż przewodzenie procesy wymiany ciepła (a mianowicie konwekcja i promieniowanie ) znacząco przyczyniają się do wymiany ciepła w materiale. W takich przypadkach przydatne jest wprowadzenie „pozornej przewodności cieplnej”, która wychwytuje efekty wszystkich trzech rodzajów procesów, oraz bardziej ogólnie zdefiniowanie wartości R jako grubości próbki podzielonej przez jej pozorną przewodność cieplną . Niektóre równania wiążące tę uogólnioną wartość R, znaną również jako pozorna wartość R , z innymi wielkościami to:

${\ Displaystyle R_ {\ tekst {val}} ^ {\ prime} = {\ Frac {\ Delta x} {k ^ {\ prime}}} = {\ Frac {1} {U_ {\ text {val}} }}=\Delta x\times r^{\prime }}$

gdzie:

• ${\ Displaystyle R_ {\ tekst {val}} ^ {\ prime}}$jest pozorną wartością R ( K / W ) na całej grubości próbki,
• ${\ Displaystyle \ Delta x}$jest grubością ( m ) próbki (mierzoną na drodze równoległej do przepływu ciepła),
• ${\displaystyle k^{\prim}}$jest pozorną przewodnością cieplną materiału ( W /( K ⋅ m )),
• ${\displaystyle U_{\text{val}}}$jest współczynnik przenikania ciepła lub „ wartości U ” materiału ( W / K )
• ${\ Displaystyle r ^ {\ prime} = {k ^ {\ prime}} ^ {-1}}$jest pozorną opornością cieplną materiału ( K ⋅ m / W ).

Wynika wartość R wylicza fizyczną wielkość zwaną insulance cieplnej .

Jednak to uogólnienie ma swoją cenę, ponieważ wartości R, które obejmują procesy nieprzewodzące, mogą już nie być addytywne i mogą mieć znaczną zależność od temperatury. W szczególności, w przypadku materiału luźnego lub porowatego, wartość R na cal generalnie zależy od grubości, prawie zawsze tak, że zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości ( wyjątek stanowi poliizocyjanuran („poliizo”); jego wartość R na cal wzrasta wraz z grubość). Z podobnych powodów wartość R na cal zależy również od temperatury materiału, zwykle wzrastającej wraz ze spadkiem temperatury (wyjątkiem jest ponownie poliizo); nominalnie R 13 włókien szklanych typu maty może być R-14 w 12 ° C (10 ° F) i R-12 w temperaturze 43 ° C (109 ° F). Niemniej jednak w budownictwie powszechnie traktuje się wartości R jako niezależne od temperatury. Należy pamiętać, że wartość R nie mogą stanowić radiacyjnych lub konwekcyjnych procesów w materiałowej powierzchni , które mogą być ważnym czynnikiem dla niektórych aplikacji.

Wartość R jest odwrotnością współczynnika przenikania ciepła ( współczynnika U ) materiału lub zespołu. Amerykański przemysł budowlany preferuje jednak stosowanie wartości R, ponieważ są one addytywne i ponieważ większe wartości oznaczają lepszą izolację, z których żadna nie jest prawdziwa dla współczynników U.

Współczynnik U/wartość U

Współczynnik U lub wartość U to ogólny współczynnik przenikania ciepła, który opisuje, jak dobrze element budynku przewodzi ciepło lub szybkość przekazywania ciepła (w watach) przez jeden metr kwadratowy konstrukcji podzielony przez różnicę temperatur w całej konstrukcji . Elementy te są zwykle złożonymi z wielu warstw elementów, takich jak te, które tworzą ściany/podłogi/dachy itp. Wyraża się to w watach na metr kwadratowy kelwinów W/(m ² ⋅K). Oznacza to, że im wyższa wartość U, tym gorsza wydajność cieplna przegród zewnętrznych. Niska wartość U zwykle wskazuje na wysoki poziom izolacji. Są one przydatne, ponieważ pozwalają przewidzieć zachowanie kompozytu całego elementu budynku, a nie polegać na właściwościach poszczególnych materiałów.

W większości krajów właściwości określonych materiałów (takich jak izolacja) są wskazywane przez przewodność cieplną , czasami nazywaną wartością k lub wartością lambda (mała litera λ). Przewodność cieplna (wartość k) to zdolność materiału do przewodzenia ciepła; stąd im niższa wartość k, tym lepszy materiał do izolacji. Polistyren spieniony (EPS) ma wartość k około 0,033 W/(m⋅K). Dla porównania, izolacja z pianki fenolowej ma wartość k około 0,018 W/(m⋅K), podczas gdy drewno waha się od 0,15 do 0,75 W/(m⋅K), a stal ma wartość k około 50,0 W/ (m⋅K). Liczby te różnią się w zależności od produktu, więc Wielka Brytania i UE ustanowiły standard 90/90, co oznacza, że ​​90% produktu będzie zgodne z podaną wartością k z 90% poziomem ufności, o ile podana jest podana wartość jako wartość lambda 90/90.

U jest odwrotnością R z jednostkami SI W/(m ² ⋅K) i jednostkami US BTU/(h⋅°F⋅ft ² )

${\ Displaystyle U = {\ Frac {1} {R}} = {\ Frac {{\ kropka {Q}} _ {A}} {\ Delta T}} = {\ Frac {K} {L}}}$

gdzie to strumień ciepła , to różnica temperatur w materiale, k to współczynnik przewodzenia ciepła materiału, a L to jego grubość. W niektórych kontekstach U jest określane jako jednostkowa przewodność powierzchniowa. ${\ Displaystyle {\ kropka {Q}} _ {A}}$${\ Displaystyle \ Delta T}$

Zobacz też: tog (jednostka) lub ogólna ocena termiczna (gdzie 1 tog = 0,1 m ² ·K/W), stosowana do oceny kołdry .

Termin współczynnik U jest zwykle używany w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie do wyrażenia przepływu ciepła przez całe zespoły (takie jak dachy, ściany i okna). Na przykład kody energetyczne, takie jak ASHRAE 90.1 i IECC, określają wartości U. Jednak wartość R jest powszechnie stosowana w praktyce do opisu oporu cieplnego wyrobów izolacyjnych, warstw i większości innych części obudowy budynku (ścian, stropów, dachów). Inne obszary świata częściej stosują wartość U/współczynnik U dla elementów całej obudowy budynku, w tym okien, drzwi, ścian, dachu i płyt gruntowych.

Jednostki: metryczne (SI) vs. cal-funt (IP)

Jednostką SI (metryczną) wartości R jest

kelwin metr kwadratowy na wat (K⋅m ² /W lub równowartość °C⋅m ² /W),

podczas gdy jednostka IP (cal-funt) to

stopni Celsjusza stóp kwadratowych godzin za brytyjskim jednostkę cieplną (° F⋅ft ² ⋅h / BTU).

W przypadku wartości R nie ma różnicy między jednostkami amerykańskimi i imperialnymi , więc w obu używana jest ta sama jednostka IP.

Niektóre źródła używają „RSI” w odniesieniu do wartości R w jednostkach SI.

Wartości R wyrażone w jednostkach IP są około 5,68 razy większe niż wartości R wyrażone w jednostkach SI. Na przykład okno, które jest R-2 w systemie IP, ma około RSI 0,35, ponieważ 2/5,68 ≈ 0,35.

W krajach, w których system SI jest ogólnie używany, wartości R są również zwykle podawane w jednostkach SI. Obejmuje to Wielką Brytanię, Australię i Nową Zelandię.

Wartości IP są powszechnie podawane w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, chociaż w Kanadzie zwykle podawane są zarówno wartości IP, jak i RSI.

Ponieważ jednostki zazwyczaj nie są wyraźnie określone, należy z kontekstu zdecydować, które jednostki są używane. W związku z tym warto pamiętać, że wartości IP R są 5,68 razy większe niż odpowiadające im wartości SI R.

Dokładniej,

Wartość R (w IP) = Wartość RSI (w SI) × 5,678263337

Wartość RSI (w SI) = wartość R (w IP) × 0,1761101838

Różne rodzaje izolacji

Rząd australijski wyjaśnia, że ​​wymagane całkowite wartości R dla materiału budowlanego różnią się w zależności od strefy klimatycznej. „Takie materiały obejmują bloki z betonu komórkowego, puste bloki ze styropianu, bele słomy i wytopione arkusze z polistyrenu ekstrudowanego”.

W Niemczech, po wprowadzeniu w 2009 r. (10 października) ustawy Energieeinsparverordnung (EnEv) dotyczącej oszczędności energii, wszystkie nowe budynki muszą wykazywać zdolność do utrzymania się w określonych granicach wartości współczynnika U dla każdego konkretnego materiału budowlanego. Ponadto EnEv opisuje maksymalny współczynnik dla każdego nowego materiału, jeśli części są wymieniane lub dodawane do konstrukcji stojących.

Departament Energii USA zalecił wartości R dla określonych obszarów USA w oparciu o ogólne lokalne koszty energii do ogrzewania i chłodzenia, a także klimat danego obszaru. Istnieją cztery rodzaje izolacji: rolki i maty, wypełnienie luzem, sztywna pianka i pianka na miejscu. Rolki i maty są zazwyczaj elastycznymi izolatorami, które są wykonane z włókien, takich jak włókno szklane. Izolacja w postaci luźnego wypełnienia jest dostarczana w postaci luźnych włókien lub peletów i powinna być wdmuchiwana w przestrzeń. Sztywna pianka jest droższa niż włókno, ale generalnie ma wyższą wartość R na jednostkę grubości. Izolację piankową w miejscu można wdmuchiwać na małe obszary, aby kontrolować przecieki powietrza, na przykład wokół okien, lub można ją wykorzystać do izolacji całego domu.

Grubość

Zwiększenie grubości warstwy izolacyjnej zwiększa odporność termiczną. Przykładowo, podwajając grubość włókna szklanego mrugnięcia podwoi wartość R, może od 2,0 m ² ⋅K / W przy 110 mm, grubości aż do 4,0 m ² ⋅K / W do 220 mm grubości. Przenoszenie ciepła przez warstwę izolacyjną jest analogiczne do dodawania rezystancji do obwodu szeregowego o stałym napięciu. Jednak obowiązuje to tylko w przybliżeniu, ponieważ efektywna przewodność cieplna niektórych materiałów izolacyjnych zależy od grubości. Dodanie materiałów do osłony izolacji, takich jak płyty gipsowo-kartonowe i bocznica, zapewnia dodatkową, ale zazwyczaj znacznie mniejszą wartość R.

Czynniki

Istnieje wiele czynników, które mają wpływ na wykorzystanie wartości R do obliczenia strat ciepła dla konkretnej ściany. Wartości R producenta dotyczą tylko prawidłowo zainstalowanej izolacji. Zgniecenie dwóch warstw mrugnięcia do grubości przeznaczonej na jedną warstwę zwiększy, ale nie podwoi wartość R. (Innymi słowy, ściskanie maty z włókna szklanego zmniejsza wartość R maty, ale zwiększa wartość R na cal.) Innym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest to, że kołki i okna zapewniają równoległą ścieżkę przewodzenia ciepła, na którą R izolacji nie ma wpływu. -wartość. Praktyczną konsekwencją tego jest to, że można podwoić wartość R izolacji zainstalowanej między elementami konstrukcji szkieletowej i uzyskać znacznie mniej niż 50 procent redukcji strat ciepła. Po zainstalowaniu między słupkami ściennymi, nawet doskonała izolacja ściany eliminuje jedynie przewodzenie przez izolację, ale nie wpływa na utratę ciepła przez przewodzenie przez takie materiały, jak szklane okna i słupki. Izolacja zamontowana pomiędzy słupkami może zmniejszyć, ale zwykle nie eliminuje strat ciepła spowodowanych przeciekiem powietrza przez przegrodę budynku. Zainstalowanie ciągłej warstwy izolacji ze sztywnej pianki po zewnętrznej stronie poszycia ściany spowoduje przerwanie mostków termicznych przez słupki, jednocześnie zmniejszając szybkość przecieku powietrza.

Podstawową rolą

Wartość R jest miarą zdolności próbki izolacji do zmniejszenia szybkości przepływu ciepła w określonych warunkach testowych. Podstawowym sposobem wymiany ciepła utrudnianym przez izolację jest przewodzenie, ale izolacja zmniejsza również straty ciepła we wszystkich trzech trybach wymiany ciepła: przewodzeniu, konwekcji i promieniowaniu. Pierwotna strata ciepła w nieizolowanej przestrzeni wypełnionej powietrzem to naturalna konwekcja , która występuje z powodu zmian gęstości powietrza wraz z temperaturą. Izolacja znacznie opóźnia naturalną konwekcję, dzięki czemu przewodnictwo jest podstawowym sposobem wymiany ciepła. Izolacje porowate osiągają to poprzez zatrzymywanie powietrza, dzięki czemu eliminowana jest znaczna konwekcyjna utrata ciepła, pozostawiając jedynie przewodzenie i niewielki transfer promieniowania. Podstawową rolą takiej izolacji jest zapewnienie przewodności cieplnej izolacji uwięzionego, stojącego powietrza. Jednak nie można tego w pełni zrealizować, ponieważ wata szklana lub pianka potrzebne do zapobiegania konwekcji zwiększają przewodzenie ciepła w porównaniu z nieruchomym powietrzem. Niewielki radiacyjny transfer ciepła uzyskuje się przez posiadanie wielu powierzchni przerywających „wyraźny widok” pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią izolacji, tak jak to, że światło widzialne jest przerywane przez przechodzenie przez materiały porowate. Takie wielokrotne powierzchnie obfitują w waty i porowatą piankę. Promieniowanie jest również zminimalizowane przez powierzchnie zewnętrzne o niskiej emisyjności (wysoce odblaskowe), takie jak folia aluminiowa. Niższą przewodność cieplną lub wyższą wartość R można osiągnąć zastępując powietrze argonem, gdy jest to praktyczne, na przykład w ramach specjalnej izolacji z pianki o zamkniętych porach, ponieważ argon ma niższą przewodność cieplną niż powietrze.

Ogólny

Przenikanie ciepła przez warstwę izolacyjną jest analogiczne do oporu elektrycznego . Przenikanie ciepła można obliczyć, myśląc o oporach połączonych szeregowo ze stałym potencjałem, z wyjątkiem tego, że opory są oporami termicznymi, a potencjałem jest różnica temperatur z jednej strony materiału na drugą. Opór każdego materiału na przenikanie ciepła zależy od określonego oporu cieplnego [wartość R]/[grubość jednostkowa], który jest właściwością materiału (patrz tabela poniżej) oraz grubości tej warstwy. Bariera termiczna składająca się z kilku warstw będzie miała kilka rezystorów termicznych w analogicznych obwodach, każdy połączony szeregowo. Analogicznie do zestawu rezystorów równolegle, dobrze zaizolowana ściana ze słabo zaizolowanym oknem pozwoli proporcjonalnie więcej ciepła przejść przez okno (o niskim R), a dodatkowa izolacja w ścianie tylko w minimalnym stopniu poprawi ogólne R- wartość. Jako taki, najmniej dobrze izolowany odcinek ściany będzie odgrywał największą rolę w przenoszeniu ciepła w stosunku do jego rozmiaru, podobnie jak większość prądu przepływa przez rezystor o najniższej rezystancji w układzie równoległym. Dlatego zapewnienie, że okna, przerwy serwisowe (wokół przewodów/rur), drzwi i inne przerwy w ścianie są dobrze uszczelnione i zaizolowane, jest często najbardziej opłacalnym sposobem na poprawę izolacji konstrukcji, gdy ściany są wystarczająco izolowane.

Podobnie jak rezystancja w obwodach elektrycznych, zwiększenie fizycznej długości (dla izolacji, grubości) elementu rezystancyjnego, takiego jak na przykład grafit, zwiększa rezystancję liniowo; podwojenie grubości warstwy oznacza podwojenie wartości R i połowę wymiany ciepła; czteroosobowy, ćwiartki; itp. W praktyce ta liniowa zależność nie zawsze obowiązuje dla materiałów ściśliwych, takich jak wata szklana i waty bawełniane, których właściwości termiczne zmieniają się po ściśnięciu. Na przykład, jeśli jedna warstwa izolacji z włókna szklanego na poddaszu zapewnia opór cieplny R-20, dodanie drugiej warstwy niekoniecznie podwoi opór cieplny, ponieważ pierwsza warstwa zostanie ściśnięta pod ciężarem drugiej.

Obliczanie strat ciepła

Aby obliczyć średnią stratę ciepła na jednostkę powierzchni, wystarczy podzielić różnicę temperatur przez wartość R dla warstwy.

Jeżeli temperatura wnętrza domu wynosi 20°C, a wnęka dachu 10°C, to różnica temperatur wynosi 10°C (lub 10 K). Zakładając, że sufit jest izolowany zgodnie z RSI 2.0 (R = 2 m ² K/W), energia będzie tracona w tempie 10 K/(2 K⋅m ² /W) = 5 watów na każdy metr kwadratowy sufitu. Użyta tutaj wartość RSI dotyczy rzeczywistej warstwy izolacyjnej (a nie na jednostkę grubości izolacji).

Relacje

Grubość

Wartość R nie powinna być mylona z wewnętrzną właściwością oporności cieplnej i jej odwrotną przewodnością cieplną . Jednostką oporności cieplnej w układzie SI jest K⋅m/W. Przewodność cieplna zakłada, że ​​przenoszenie ciepła materiału jest liniowo związane z jego grubością.

Wiele warstw

Przy obliczaniu wartości R instalacji wielowarstwowej dodaje się wartości R poszczególnych warstw:

Wartość R _{(zewnętrzna folia powietrzna)} + wartość R _(cegła) + wartość R _(poszycie) + wartość R _(izolacja) + wartość R _{(płyta gipsowo} - _kartonowa) + wartość R _{(wewnętrzna folia powietrzna)} = wartość R _{( łącznie)} .

Aby uwzględnić inne komponenty w ścianie, takie jak szkielet, najpierw oblicz wartość U (=1/wartość R) każdego komponentu, a następnie średnią wartość U ważoną powierzchniowo. Średnia wartość R będzie wynosić 1/(ta średnia wartość U). Na przykład, jeśli 10% powierzchni to 4 cale drewna iglastego (wartość R 5,6), a 90% to 2 cale aerożelu krzemionkowego (wartość R 20), ważona powierzchniowo wartość U wynosi 0,1/5,6 + 0,9/ 20 = 0,0629, a ważona wartość R wynosi 1/0,0629 = 15,9.

Spór

Przewodność cieplna a pozorna przewodność cieplna

Przewodność cieplna jest konwencjonalnie definiowana jako szybkość przewodzenia ciepła przez materiał na jednostkę powierzchni na jednostkę grubości na jednostkę różnicy temperatur (ΔT). Odwrotnością przewodnictwa jest rezystywność (lub R na jednostkę grubości). Przewodność cieplna to szybkość przepływu ciepła przez jednostkę powierzchni przy zainstalowanej grubości i dowolnej danej ΔT.

Eksperymentalnie mierzy się przewodnictwo cieplne, umieszczając materiał w kontakcie między dwiema płytkami przewodzącymi i mierząc strumień energii wymagany do utrzymania określonego gradientu temperatury.

W większości przypadków testowanie współczynnika R izolacji odbywa się w stałej temperaturze, zwykle około 70 °F (21 °C), bez ruchu otaczającego powietrza. Ponieważ są to idealne warunki, podana wartość R dla izolacji będzie prawie na pewno wyższa niż w rzeczywistości, ponieważ większość sytuacji z izolacją przebiega w innych warunkach

W dokumencie C168 opublikowanym przez Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów zaproponowano definicję wartości R opartą na pozornej przewodności cieplnej. Opisuje to przekazywanie ciepła przez wszystkie trzy mechanizmy — przewodzenie, promieniowanie i konwekcję.

Debata toczy się wśród przedstawicieli różnych segmentów amerykańskiego przemysłu izolacyjnego podczas rewizji przepisów amerykańskiej FTC dotyczących reklamowania wartości R, ilustrujących złożoność problemów.

Temperatura powierzchni w zależności od sposobu wymiany ciepła

Stosowanie jednego modelu laboratoryjnego do jednoczesnej oceny właściwości materiału w zakresie odporności na przewodzące, promieniowane i konwekcyjne nagrzewanie ma swoje słabości. Temperatura powierzchni zmienia się w zależności od sposobu wymiany ciepła.

Jeśli przyjmiemy wyidealizowany transfer ciepła pomiędzy powietrzem z każdej strony a powierzchnią izolacji, temperatura powierzchni izolatora byłaby równa temperaturze powietrza z każdej strony.

W odpowiedzi na promieniowanie cieplne temperatura powierzchni zależy od emisyjności cieplnej materiału. Powierzchnie o niskiej emisyjności, takie jak błyszcząca folia metalowa, zmniejszą przenoszenie ciepła przez promieniowanie.

Konwekcja zmienia szybkość wymiany ciepła między powietrzem a powierzchnią izolatora, w zależności od charakterystyki przepływu powietrza (lub innego płynu) w kontakcie z nim.

Przy wielu trybach przenoszenia ciepła końcowa temperatura powierzchni (a tym samym obserwowany strumień energii i obliczona wartość R) będzie zależeć od względnego udziału promieniowania, przewodzenia i konwekcji, nawet jeśli całkowity udział energii pozostaje taki sam.

Jest to ważna kwestia w budownictwie, ponieważ energia cieplna dociera w różnych formach i proporcjach. Udział promieniotwórczych i przewodzących źródeł ciepła również zmienia się w ciągu roku i oba są ważnymi czynnikami przyczyniającymi się do komfortu cieplnego

W sezonie gorącym źródłem zysków ciepła jest promieniowanie słoneczne. Zgodnie z prawem Stefana–Boltzmanna promieniowanie cieplne związane jest z czwartą potęgą temperatury bezwzględnej (mierzonej w kelwinach : T [K] = T [°C] + 273,16). Dlatego taki transfer jest najbardziej znaczący, gdy celem jest ochłodzenie (tj. gdy promieniowanie słoneczne wytworzyło bardzo ciepłe powierzchnie). Z drugiej strony, w chłodniejszych miesiącach większą rolę odgrywają konwekcyjne i konwekcyjne tryby utraty ciepła. Przy tak niższych temperaturach otoczenia tradycyjne izolacje włókniste, plastikowe i celulozowe odgrywają zdecydowanie główną rolę: składnik promieniowania cieplnego ma znacznie mniejsze znaczenie, a głównym wkładem bariery radiacyjnej jest jej doskonała szczelność powietrzna. Podsumowując: twierdzenia o izolacji bariery promieniującej są uzasadnione w wysokich temperaturach, zazwyczaj przy minimalizacji wymiany ciepła w okresie letnim; ale te twierdzenia nie są uzasadnione w tradycyjnych warunkach zimowych (utrzymywanie ciepła).

Ograniczenia wartości R w ocenie barier promieniowania

W przeciwieństwie do izolatorów masowych, bariery promieniujące słabo opierają się przewodzeniu ciepła. Materiały takie jak folia odblaskowa mają wysoką przewodność cieplną i słabo działałyby jako przewodzący izolator. Bariery promieniujące opóźniają przenoszenie ciepła na dwa sposoby: odbijając energię promieniowania od jej napromieniowanej powierzchni oraz zmniejszając emisję promieniowania z jej przeciwnej strony.

Pytanie, jak określić ilościowo działanie innych systemów, takich jak bariery promieniujące, wywołało kontrowersje i zamieszanie w przemyśle budowlanym przy użyciu wartości R lub „równoważnych wartości R” dla produktów, które mają zupełnie inne systemy hamowania wymiany ciepła. (W Stanach Zjednoczonych rząd federalny określa prawnie definicję wartości R dla materiału budowlanego; termin „równoważna wartość R” nie ma definicji prawnej, a zatem jest bez znaczenia.) Zgodnie z obowiązującymi normami, R - wartości są najbardziej wiarygodnie podawane dla materiałów izolacyjnych luzem . Wszystkie wymienione na końcu produkty są tego przykładami.

Obliczanie wydajności barier promieniujących jest bardziej złożone. Przy dobrej barierze promieniowania większość przepływu ciepła odbywa się na zasadzie konwekcji, która zależy od wielu czynników innych niż sama bariera promieniowania. Chociaż bariery promieniujące mają wysoki współczynnik odbicia (i niską emisyjność ) w zakresie widm elektromagnetycznych (w tym światła widzialnego i UV), ich zalety termiczne są głównie związane z ich emisyjnością w zakresie podczerwieni. Wartości emisyjności są odpowiednią miarą barier promieniowania. Ustalono ich skuteczność, gdy są stosowane w celu przeciwdziałania przyrostowi ciepła w ograniczonych zastosowaniach, mimo że wartość R nie opisuje ich odpowiednio.

Pogorszenie

Starzenie się izolacji

Chociaż brakuje badań nad długoterminową degradacją wartości R w izolacji, ostatnie badania wskazują, że wartości R produktów mogą z czasem ulec pogorszeniu. Na przykład zagęszczanie luźnej celulozy wypełniającej tworzy puste przestrzenie, które zmniejszają ogólną wydajność; można tego uniknąć poprzez gęste upakowanie przy początkowej instalacji. Niektóre rodzaje izolacji piankowej , takie jak poliuretan i poliizocyjanuran, są wdmuchiwane do postaci z ciężkimi gazami, takimi jak chlorofluorowęglowodory (CFC) lub hydrochlorofluorowęglowodory (HFC). Jednak z biegiem czasu gazy te dyfundują z pianki i są zastępowane powietrzem, zmniejszając w ten sposób efektywną wartość R produktu. Istnieją inne pianki, które nie zmieniają się znacząco wraz ze starzeniem, ponieważ są spieniane wodą lub mają otwarte komórki i nie zawierają uwięzionych CFC ani HFC (np. półfuntowe pianki o niskiej gęstości). W przypadku niektórych marek dwudziestoletnie testy wykazały brak skurczu lub zmniejszenia wartości izolacyjnej.

Doprowadziło to do kontrowersji, jak oceniać izolację tych produktów. Wielu producentów ocenia wartość R w momencie produkcji; krytycy twierdzą, że bardziej rzetelną oceną byłaby jego ustalona wartość. Przemysł piany przyjął metodę LTTR (długoterminowy opór cieplny), która ocenia wartość R na podstawie 15-letniej średniej ważonej. Jednak LTTR w rzeczywistości zapewnia tylko wartość R w wieku ośmiu lat, krótką w skali budynku, który może mieć żywotność od 50 do 100 lat.

Badania nad długotrwałą degradacją materiałów izolacyjnych zostały przeprowadzone przez Centrum Badawczo-Rozwojowe Inżynierów Armii USA. Wartości degradacji uzyskano z krótkoterminowych badań laboratoryjnych na materiałach narażonych na różne warunki temperaturowe i wilgotnościowe. Wyniki wskazują, że absorpcja wilgoci i utrata poroforu (w natryskiwanej piance poliuretanowej o zamkniętych komórkach) były głównymi przyczynami utraty wartości R. Włókno szklane i polistyren ekstrudowany zachowały ponad 97% swoich początkowych wartości R, podczas gdy aerożele i poliuretan o zamkniętych komórkach odnotowały spadek odpowiednio o 15% i 27,5%. Wyniki wskazują na wniosek, że wykładnicze prawo zaniku można zastosować do obniżenia wartości R w czasie dla poliuretanów o zamkniętych komórkach i powłok aerożelowych.

Infiltracja

Właściwa dbałość o środki uszczelnienia powietrznego i uwzględnienie mechanizmów przenoszenia pary są ważne dla optymalnego funkcjonowania izolatorów objętościowych. Infiltracja powietrza może umożliwić konwekcyjne przenoszenie ciepła lub tworzenie się kondensacji, które mogą pogorszyć działanie izolacji.

Jedną z podstawowych wartości izolacji natryskowej pianką jest jej zdolność do tworzenia hermetycznego (aw niektórych przypadkach wodoszczelnego) uszczelnienia bezpośrednio na podłożu w celu zmniejszenia niepożądanych skutków przecieku powietrza.

Pomiary wartości R in-situ

Pogorszenie wartości R jest szczególnie problemem przy określaniu efektywności energetycznej istniejącego budynku. Zwłaszcza w starszych lub zabytkowych budynkach wartości R określone przed budową mogą znacznie różnić się od wartości rzeczywistych. Ma to ogromny wpływ na analizę efektywności energetycznej. Aby uzyskać wiarygodne dane, wartości R są zatem często określane poprzez pomiary wartości U w określonej lokalizacji (in situ). Istnieje kilka potencjalnych metod, z których każda wiąże się z określonymi kompromisami: termografia, wielokrotne pomiary temperatury i metoda strumienia ciepła.

Termografia

Termografia stosowana jest w budownictwie do oceny jakości izolacji termicznej pomieszczenia lub budynku. Za pomocą kamery termowizyjnej można zidentyfikować mostki termiczne i niejednorodne części izolacji. Nie dostarcza jednak żadnych danych ilościowych. Ta metoda może być używana tylko do przybliżenia wartości U lub odwrotnej wartości R.

Konfiguracja pomiaru strumienia ciepła

Wyniki pomiaru strumienia ciepła

Wiele pomiarów temperatury

To podejście opiera się na co najmniej trzech pomiarach temperatury wewnątrz i na zewnątrz elementu budynku. Synchronizując te pomiary i przyjmując podstawowe założenia, można pośrednio obliczyć strumień ciepła, a tym samym wyprowadzić wartość U elementu budowlanego. Aby uzyskać wiarygodne wyniki, muszą być spełnione następujące wymagania:

• Różnica między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną, idealna > 15 K
• Stałe warunki
• Brak promieniowania słonecznego
• Brak ciepła promieniowania w pobliżu pomiarów

Metoda strumienia ciepła

Wartość R elementu budynku można określić za pomocą czujnika strumienia ciepła w połączeniu z dwoma czujnikami temperatury. Mierząc ciepło przepływające przez element budynku i łącząc je z temperaturą wewnątrz i na zewnątrz, można precyzyjnie określić wartość R. Pomiar trwający co najmniej 72 godziny przy różnicy temperatur co najmniej 5 °C jest wymagany do uzyskania wiarygodnych wyników zgodnie z normami ISO 9869, ale krótsze czasy pomiaru dają również wiarygodne wskazanie wartości R. Postęp pomiaru można oglądać na laptopie za pomocą odpowiedniego oprogramowania, a uzyskane dane można wykorzystać do dalszych obliczeń. Urządzenia pomiarowe do takich pomiarów strumienia ciepła oferują takie firmy jak FluxTeq, Ahlborn, greenTEG i Hukseflux.

Umieszczenie czujnika strumienia ciepła na wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni elementu budynku umożliwia określenie strumienia ciepła przez czujnik strumienia ciepła jako wartości reprezentatywnej dla strumienia ciepła przez element budynku. Strumienia ciepła przez czujnik strumienia ciepła jest strumień ciepła przez czujnik strumienia ciepła podzieloną przez obszar powierzchni czujnika przepływu ciepła . Umieszczenie czujników temperatury na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni elementu budynku pozwala na określenie temperatury powierzchni wewnętrznej, temperatury powierzchni zewnętrznej oraz różnicy temperatur między nimi. W niektórych przypadkach sam czujnik strumienia ciepła może służyć jako jeden z czujników temperatury. Wartość R elementu budynku to różnica temperatur między dwoma czujnikami temperatury podzielona przez strumień ciepła przez czujnik strumienia ciepła . Wzór matematyczny to:

${\ Displaystyle R_ {\ tekst {val}} = {\ Frac {\ Delta T} {\ phi _ {q}}} = {\ Frac {T_ {o}-T_ {i}} {q/A}} }$

gdzie:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$jest wartością R ( K ⋅ W ⁻¹ ⋅ m ² ),
• ${\ Displaystyle \ phi _ {q}}$to strumień ciepła ( W ⋅ m ⁻² ),
• ${\ Displaystyle A}$to pole powierzchni czujnika strumienia ciepła ( m ² ),
• ${\displaystyle q}$to natężenie przepływu ciepła ( W ),
• ${\displaystyle T_{i}}$to temperatura powierzchni wewnętrznej ( K ),
• ${\displaystyle T_{o}}$to temperatura powierzchni zewnętrznej ( K ), a
• ${\ Displaystyle \ Delta T}$to różnica temperatur ( K ) między powierzchnią wewnętrzną i zewnętrzną.

Wartość U można również obliczyć, biorąc odwrotność wartości R. To jest,

${\ Displaystyle U_ {\ tekst {val}} = {\ Frac {1} {R_ {\ tekst {val}}}}.}$

gdzie jest wartością U ( W ⋅ m ^-2 ⋅ K ^-1 ). ${\displaystyle U_{\text{val}}}$

Wyprowadzona wartość R i wartość U może być dokładna w zakresie, w jakim strumień ciepła przez czujnik strumienia ciepła jest równy strumieniowi ciepła przez element budynku. Rejestracja wszystkich dostępnych danych pozwala na zbadanie zależności wartości R i wartości U od czynników takich jak temperatura wewnętrzna, temperatura zewnętrzna lub położenie czujnika strumienia ciepła . W zakresie, w jakim wszystkie procesy wymiany ciepła (przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie) mają udział w pomiarach, pochodna wartość R reprezentuje pozorną wartość R.

Przykładowe wartości

Panele izolowane próżniowo mają najwyższą wartość R, około R-45 (w jednostkach amerykańskich) na cal; Aerożel ma kolejną najwyższą wartość R (około R-10 do R-30 na cal), a następnie izolacje z pianki poliuretanowej (PUR) i pianki fenolowej z R-7 na cal. Tuż za nimi znajduje się poliizocyjanuran (PIR) przy R-5,8, spieniony polistyren impregnowany grafitem przy R-5 i spieniony polistyren (EPS) przy R-4 na cal. Luźna celuloza, włókno szklane (zarówno dmuchane, jak i włókniny) oraz wełna mineralna (zarówno dmuchana, jak i włóknina) mają wartość R w przybliżeniu R-2,5 do R-4 na cal.

Bele słomy mają wydajność około R-2,38 do 2,68 na cal, w zależności od orientacji beli. Jednak typowe domy z bali ze słomy mają bardzo grube ściany, dzięki czemu są dobrze izolowane. Śnieg to mniej więcej R-1 na cal. Cegła ma bardzo słabą zdolność izolacyjną przy zaledwie R-0,2 na cal; jednak ma stosunkowo dobrą masę termiczną .

Należy zauważyć, że wszystkie powyższe przykłady wykorzystują definicję amerykańską (nie SI) dla wartości R.

Typowe wartości R

Typowe wartości R dla powierzchni

Nieodblaskowa powierzchnia R-wartości dla folii powietrznych

Przy określaniu całkowitego oporu cieplnego zespołu budowlanego, takiego jak ściana lub dach, efekt izolacyjny powierzchniowej warstwy powietrza dodaje się do oporu cieplnego innych materiałów.

W praktyce powyższe wartości powierzchni są stosowane do podłóg, sufitów i ścian w budynku, ale nie są dokładne dla zamkniętych wnęk powietrznych, takich jak między taflami szkła. Na efektywny opór cieplny zamkniętej wnęki powietrznej silny wpływ ma promieniowanie cieplne i odległość między dwiema powierzchniami. Zobacz oszklenie izolacyjne w celu porównania wartości R dla okien, z niektórymi efektywnymi wartościami R, które obejmują pustkę powietrzną.

Bariery promieniowania

Reguła wartości R w USA

Federalna Komisja Handlu (FTC) reguluje roszczeń o wartości R, aby chronić konsumentów przed oszukańczym i mylącymi reklamowych. Wydała Zasadę Wartości R.

Podstawowym celem zasady jest zapewnienie, że rynek izolacji domów dostarcza konsumentowi te niezbędne informacje przed zakupem. Informacje te dają konsumentom możliwość porównania względnych sprawności izolacyjnych, wyboru produktu o największej sprawności i potencjale oszczędności energii, dokonania opłacalnego zakupu oraz rozważenia głównych zmiennych ograniczających skuteczność izolacji i realizację deklarowanych oszczędności energii.

Reguła nakazuje, aby w niektórych reklamach oraz w punkcie sprzedaży były ujawniane szczegółowe informacje o wartości R produktów do izolacji domów. Celem wymogu ujawnienia wartości R w reklamach jest zapobieganie wprowadzaniu konsumentów w błąd przez pewne twierdzenia, które mają wpływ na wartość izolacyjną. W momencie transakcji niektórzy konsumenci będą mogli uzyskać wymagane informacje o wartości R z etykiety na opakowaniu izolacyjnym. Ponieważ jednak dowody wskazują, że opakowania są często niedostępne do wglądu przed zakupem, w wielu przypadkach konsumenci nie mieliby dostępu do informacji na etykiecie. W rezultacie Reguła wymaga, aby arkusz informacyjny był dostępny dla konsumentów do wglądu przed dokonaniem zakupu.

Grubość

Reguła wartości R określa:

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Tabela wartości R izolacji w InspectApedia zawiera oryginalne cytaty źródłowe
• Informacje o obliczeniach, znaczeniach i wzajemnych relacjach powiązanych terminów wymiany ciepła i oporu
• Amerykańska tabela wartości R materiałów budowlanych
• Praca z wartościami R
• Objaśnienie wartości R izolacji