مقاومت حرارتی

1400/10/05

R Value

در صنعت احداث، R-value معیاری است که نشان می‌دهد یک مانع دوبعدی، مانند یک لایه عایق، یک پنجره یا یک دیوار یا سقف بطور کامل، چقدر در برابر جریان همرفت گرمایشی مقاومت می‌کند. بنابراین R-value اختلاف دما در واحد شار حرارتی مورد نیاز برای حفظ یک واحد شار حرارتی بین سطح گرمتر و سطح سردتر یک مانع در شرایط و حالت پایدار است.

در واقع R-value اصطلاحی در صنعت ساختمان برای مقاومت حرارتی "در واحد سطح" است. یک مقدار R را می‌توان برای یک ماده (مثلاً برای فوم پلی اتیلن)، یا برای مجموعه‌ای از مواد (مانند یک دیوار یا  یک پنجره) ارائه کرد. در مورد مواد هم، اغلب R-valueدر هر متر بیان می‌شود. R-value برای لایه‌های مختلف مواد نیز قابل بیان است و هر چه مقدار R بالاتر باشد آن ماده عملکرد بهتری دارد.

ضریب U یا مقدار U(U-value) ضریب انتقال حرارت کلی است و می‌توان آن را با معکوس کردن مقدار R یافت. این یک ویژگی است که توضیح می‌دهد چگونه عناصر اصلی یک ساختمان گرما را در واحد سطح در یک گرادیان دما به خوبی هدایت می‌کنند. عناصر تشکیل دهنده یک ساختمان معمولاً مجموعه‌ای از لایه‌های بسیاری از مواد هستند، مانند لایه‌هایی که پوشش ساختمان را تشکیل می‌دهند. بر حسب وات بر متر مربع-کلوین (W/m2⋅K) بیان می‌شود. هر چه مقدار U بالاتر باشد، توانایی پوشش ساختمان در مقاومت در برابر انتقال حرارت کمتر است. U-value کم یا برعکس R-Value بالا معمولاً سطوح بالای عایق را نشان می‌دهد. این مقدارها مفید هستند زیرا روشی برای پیش بینی رفتار ترکیبی کل یک عنصر ساختمانی به جای تکیه بر خواص مواد منفرد است.

محصولات عایق فشرده مانند مت‌های تخت و فوم‌های تشکی اغلب دارای درجه‌هایی مانند R7 یا R24 هستند که در واقع نشان دهنده R-Value آن محصول هستند که هر محصول با محصول دیگر درجه‌های متفاوتی دارد. این درجه بندی ساده و غیر فنی است تا مصرف کنندگان به راحتی متوجه کارایی آن محصول شوند. هر چه این درجه بالاتر باشد عایق، عایقی بهتر محسوب می‌شود.

تعریف R-Value

در صنعت ساختمان،  با نگاه فنی و علمی تر مقدار R-Value  بایدمعکوس ‌شود به عنوان مثال R4به ¼ تبدیل می‌گردد که بدین معنا است که 0.25 وات در هر متر مربع از محیط با هر درجه از اختلاف دما (به سانتی گراد) از دست خواهد رفت.

برای ملموس‌تر شدن این موضوع به این مثال توجه کنید: در زمستان ممکن است دمای محیط بیرون 2 درجه سانتیگراد و در داخل 20 درجه سانتیگراد باشد که باعث اختلاف دما 18 درجه سانتیگراد می‌شود. اگر ماده دارای  R-Value 4 باشد، با توجه به این که (0.25 وات برای هر درجه اختلاف دما در هر متر مربع از دست خواهد داد.) مقدار انرژی گرمایی از دست رفته بر فرض اینکه محیط دارای 10 متر مربع مساحت است، محاسبه خواهد شد:

0.25w x 18C x 10m2 = 450 watts

 اما در یک ساختمان تلفات دیگری از طریق کف، پنجره‌ها، شکاف‌های تهویه و غیره وجود خواهد داشت. اما منحصراً برای این ماده (عایق) به تنهایی، 450 وات از دست می‌رود و می‌توان آن را با یک بخاری 450 وات در داخل جایگزین کرد تا دمای داخل حفظ شود.

برای بررسی فنی‌تر مقدار K به جای سانتی گراد استفاده می‌شود.

مقدار RSI

توجه داشته باشید که R-value اصطلاحی در صنعت ساختمان است که برای هرچیزی که در یک واحد سطح در هر زمینه‌ای مقاومت حرارتی دارد نامیده می‌شود. یک مقدار R را می‌توان برای یک ماده (مثلاً برای فوم پلی اتیلن)، یا برای مجموعه‌ای از مواد (مانند یک دیوار یا یک پنجره) ارائه داد. در مورد مواد، اغلب بر حسب R-value در واحد طول (به عنوان مثال در هر اینچ ضخامت) بیان می‌شود. مورد دوم می‌تواند در مورد عایق‌های حرارتی ساختمان با چگالی کم گمراه کننده باشد، که مقادیر R برای آنها افزودنی نیست: مقدار R آنها در هر اینچ با ضخیم شدن مواد ثابت نیست، بلکه معمولاً کاهش می‌یابد.

واحدهای یک R-value معمولاً به صراحت بیان نمی‌شوند، بنابراین مهم است این واحد در دستگاه اندازه‌گیری آمریکایی بیان شده یا متریک: یک مقدار R بیان شده در واحدهای اندازه گیری آمریکا حدود 5.68 برابر بزرگتر از زمانی است که در واحد (SI) متریک بیان می‌شود. واحدهای SI، به طوری که، برای مثال، یک پنجره که R-2  در واحدهای اندازه گیری آمریکایی است دارای 0.35- RSI است (از طریق تبدیل 2/5.68 = 0.35).

برای مقادیر R هیچ تفاوتی بین واحدهای مرسوم ایالات متحده و واحدهای بریتانیا وجود ندارد. تا آنجا که مقادیر R چگونه گزارش می شوند، همه موارد زیر به یک معنا هستند: "این یک پنجره R-2 است". "این یک پنجره R2 است"؛ "این پنجره دارای R-value-2 است"؛ "این یک پنجره با R=2 است" (و به طور مشابه با مقادیر RSI، که همچنین بدین شکل بیان می‌شود که "این پنجره 0.35– RSI، یعنی مقدارمقاومتی که در برابر جریان گرما را ارائه می‌دهد.

ضخامت

افزایش ضخامت یک لایه عایق باعث افزایش مقاومت حرارتی (R-Value) می‌شود. برای مثال، دوبرابر کردن ضخامت پشم شیشه، مقدار R آن را دو برابر می‌کند، به عنوان مثال  110 میلی متر با مقدار 2 (m2⋅K/W) می‌توان با دو برابر کردن ضخامت پشم شیشه تا (میلی متر) به مقدار 4 (m2⋅K/W) دست پیدا کرد.

انتقال حرارت از طریق یک لایه عایق، مشابه با افزودن یک مقاومت به مدار سری با ولتاژ ثابت است. با این حال، این اصل فقط گاهی برقرار است زیرا هدایت حرارتی مؤثر برخی از مواد عایق به ضخامت بستگی دارد. افزودن مواد برای محصور کردن عایق مانند دیوار خشک و سایدینگ، مقدار  R اضافی اما معمولاً بسیار کوچکتر را فراهم می‌کند.

فاکتورهای اندازه گیری

هنگام استفاده از مقادیر Rبرای محاسبه تلفات حرارتی برای یک دیوار خاص، فاکتورهای زیادی وجود دارد. مقادیر R درج شده برروی محصول فقط برای عایق‌هایی که به درستی نصب شده‌اند اعمال می‌شود. له کردن و فشرده کردن دو لایه برای یکی کردن آن به منظور کاهش ضخامت، مقدار R را افزایش می‌دهد اما دو برابر نمی‌شود. به عبارت دیگر، فشرده سازی یک چوب فایبرگلاس، مقدار کلی R صفحه عایق را کاهش می‌دهد، اما R-value در هر اینچ را افزایش می‌دهد.

عامل مهم دیگری که باید در نظر گرفت این است که ناودانی‌ها و پنجره‌ها یک مسیر انتقال حرارت موازی را بوجود می‌آورند که R عایق را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد.

مفهوم کاربردی این امر این است که می‌توان R-Value عایق نصب شده بین اعضای قاب یک سازه و یا جاهایی که نیاز به عایق بهتر دارند را دو برابر کرد و کاهش قابل ملاحظه‌ای کمتر از 50 درصد در اتلاف گرما را دریافت کرد. هنگامی که این نوع عایق کردن بین دیوار لحاظ می‌شود، حتی اگر هم عایق دیواری عالی استفاده شود فقط رسانایی از طریق عایق را حذف می‌کند، اما اتلاف گرمای رسانا را از طریق حفره‌های مانند پنجره‌های شیشه‌ای و ناودانی‌ها این عملکرد این سیستم را بی‌تاثیر می‌کند. عایق نصب شده بین گل میخ‌ها ممکن است تلفات حرارتی ناشی از نشت هوا از داخل پوشش ساختمان را کاهش دهد، اما معمولاً آن را از بین نمی‌برد. نصب یک لایه پیوسته از عایق فوم سفت و سخت در قسمت زیر نمای ساختمان، پل حرارتی را از طریق پشت دیوار را قطع می‌کند و در عین حال سرعت نشت هوا را نیز کاهش می‌دهد.

مقدار R عایق حرارتی به نوع ماده، ضخامت و چگالی آن بستگی دارد. به طور کلی، دیوارها فقط از یک ماده یا یک لایه تشکیل نمی‌شوند.

مقادیر R برای متداول ترین مصالح ساختمانی در جدول زیر آورده شده است. با نگاهی به جدول زیر می‌توان دریافت که مواد طبیعی مانند سنگ و آجر مواد عایق خوبی نیستند، اما بیشتر محصولات عایق مصنوعی مانند پلی استایرن یا پلی اورتان مواد عایق بسیار موثری هستند.

اگر مواد عایق دارای R-value پایینی در هر اینچ باشند، بایدعایق را ضخیم‌تر در نظر گرفت تا به همان درجه عایق‌های با R-value بالا، اثربخشی در برابر اتلاف گرما داشته باشد.

به نمودار زیر نگاه کنید تا ضخامت مورد نیاز عایق‌های مختلف را برای رسیدن به R-Value 22 مقایسه کنید.

انتقال حرارت از طریق یک لایه عایق، مشابه مقاومت الکتریکی است. انتقال حرارت را می‌توان با در نظر گرفتن مقاومت به صورت سری با پتانسیل ثابت در نظر گرفت، به جز اینکه مقاومت‌ها، مقاومت‌های حرارتی هستند و پتانسیل، اختلاف دما از یک طرف ماده به طرف دیگر است. مقاومت هر ماده در برابر انتقال حرارت به مقاومت حرارتی خاص؛ R-value) تقسیم بر ضخامت (بستگی دارد که یکی از ویژگی‌های ماده است  نسبت به ضخامت لایۀ آن ماده است. یک مانع حرارتی که از چندین لایه تشکیل شده است دارای چندین مقاومت حرارتی، به طور مشابه در مداری است که به صورت سری بسته شده است.

مشابه مدار الکتریکی‌ای که مقاومت‌ها به صورت موازی بسته شده‌اند، یک دیوار با عایق خوب با یک پنجره با عایق ضعیف وضعیتی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود گرما به نسبت بیشتری از پنجره با (R) کمعبور کند و عایق اضافی در دیوار فقط حداقل میزان R کلی را بهبود می‌بخشد. به این ترتیب، بخشی دیوار با کمترین عایق بندی، بیشترین نقش را در انتقال حرارت نسبت به اندازه آن ایفا می‌کند، شبیه به زمانی که بیشتر جریان از کمترین مقاومت در یک مدار موازی عبور می‌کند. بنابراین اطمینان از اینکه پنجره‌ها، شکستگی‌های دیوار (در اطراف سیم‌ها/لوله‌ها)، درها، و سایر حفره‌های دیوار به خوبی آب‌بندی و عایق‌بندی شده‌اند، اغلب مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه برای بهبود عایق‌سازی یک سازه است، زمانی است که دیوارها به اندازه کافی عایق شوند و حفره‌های به خوبی پوشش داده شود.

مانند مقاومت در مدارهای الکتریکی، افزایش طول فیزیکی (برای عایق، ضخامت) یک عنصر مقاومتی، مانند گرافیت، مقاومت را به صورت خطی افزایش می‌دهد. دو برابر کردن ضخامت یک لایه یعنی دو برابر مقدار R و  کاهش نیمی از انتقال حرارت. در عمل، این رابطه خطی همیشه برای مواد تراکم پذیر مانند پشم شیشه و پنبه که خواص حرارتی آنها با فشرده شدن تغییر می‌کند برقرار نیست. بنابراین، برای مثال، اگر یک لایه عایق فایبرگلاس در یک اتاق زیر شیروانی مقاومت حرارتی R-20 را ایجاد کند، افزودن لایه دوم لزوماً مقاومت حرارتی را دو برابر نمی‌کند زیرا لایه اول با وزن لایه دوم فشرده می‌شود.

مقدار R واقعی

هر چه یک ماده ذاتاً قادر به هدایت گرما باشد، همانطور که از  بررسی رسانایی حرارتی آن مشخص می‌شود، مقدار R آن کمتر می‌شود. از طرف دیگر، هر چه ماده ضخیم‌تر باشد، مقدار R آن بیشتر می‌شود. گاهی اوقات فرآیندهای انتقال حرارت به غیر از رسانایی (یعنی همرفت و تابش) به طور قابل توجهی به انتقال حرارت در داخل ماده کمک می‌کنند. در چنین مواردی، برای تعریف بهتر "رسانایی گرمایی ظاهری"، که اثرات هر سه نوع فرآیند را در بر می‌گیرد، و برای تعریف دقیق‌تر مقدار R به طور کلی، ضخامت نمونه، تقسیم بر هدایت حرارتی ظاهری، استفاده می‌شود. برخی از معادلات مربوط به مقدار R تعمیم یافته، که به عنوان R-value ظاهری نیز شناخته می‌شود.

نقش اصلی

مقاومت حرارتی (R-Value)، اندازه گیری توانایی نمونه عایق برای کاهش سرعت جریان گرما در شرایط آزمایشی مشخص است. حالت اولیه‌ای که عایق مانع انتقال حرارت از طریق آن می‌گردد ، رسانش است، اما عایق نیز اتلاف حرارت را با هر سه حالت انتقال حرارت کاهش می‌دهد: رسانایی، همرفت و تابش. اتلاف حرارت اولیه در یک فضای عایق نشده پر از هوا، از طریق همرفت طبیعی است که به دلیل تغییر در چگالی هوا با دما اتفاق می‌افتد. عایق اتلاف گرما را قویاً از طریق همرفت طبیعی را به تاخیر می‌اندازد این بدین معناست که اولویت انتقال گرما از طریق رسانش (هدایت) صورت می‌گیرد.

عایق‌های متخلخل این کار را با به دام انداختن هوا انجام می‌دهند به طوری که اتلاف گرما از طریق همرفت به وطر قابل توجهی از بین می‌رود و تنها رسانایی و انتقال تابش جزئی باقی می‌ماند. نقش اصلی چنین عایق‌هایی این است که هدایت حرارتی عایق را در هوای محبوس و راکد ایجاد کند. با این حال این را نمی‌توان به طور کامل درک کرد زیرا پشم شیشه یا فوم مورد نیاز برای جلوگیری از همرفت، رسانش گرما را در مقایسه با هوای ساکن افزایش می‌دهد. انتقال حرارت تشعشعی جزئی با داشتن سطوح زیادی که یک "نمای واضح" بین سطوح داخلی و خارجی عایق را قطع می‌کنند به دست می‌آید، مانند نور مرئی که از عبور از مواد متخلخل قطع می‌شود. چنین سطوح متعددی در فوم حلقوی و متخلخل فراوان هستند. تابش همچنین توسط سطوح بیرونی با تابش کم (بسیار بازتابنده) مانند فویل آلومینیومی به حداقل می‌رسد. هدایت حرارتی کمتر یا مقادیر R بالاتر را می‌توان با جایگزینی هوا با آرگون در مواقعی که عملی است، مانند عایق فوم با منافذ بسته ویژه به دست آورد، زیرا آرگون رسانایی حرارتی کمتری نسبت به هوا دارد.

محاسبه مقدار هدر رفت انرژی

برای یافتن میانگین تلفات حرارتی در واحد سطح، به سادگی اختلاف دما را بر مقدار R هر لایه تقسیم کنید.

بطور مثال: اگر دمای داخلی خانه 20 درجه سانتیگراد و دمای فضای زیر شیروانی دمای 10 درجه سانتیگراد باشد، اختلاف دما 10 درجه سانتیگراد (یا 10 کلوین) است. با فرضاینکه مقدار R سقف عایق شده برابر با  RSI-2 (  R=2با واحد (کلوین* متر مربع) بر وات)  است. انرژی با نرخ 10 کلوین بر (2 m2⋅K/W) = 5 وات برای هر متر مربع سقف تلف می‌شود. مقدار RSI مورد استفاده در اینجا برای لایه عایق واقعی (و نه در واحد ضخامت عایق) است.

اختلاف نظرها

به طور تجربی، هدایت حرارتی با قرار دادن مواد مختلف در تماس بین دو صفحه رسانا و اندازه‌گیری شار انرژی مورد نیاز برای حفظ یک گرادیان دمایی مشخص اندازه‌گیری می‌شود.

در اکثر موارد، آزمایش مقدار R عایق در دمای ثابت، معمولاً حدود 70 درجه فارنهایت (21 درجه سانتیگراد) بدون حرکت هوای اطراف انجام می‌شود. از آنجایی که اینها شرایط ایده آل هستند، مقدار R فهرست شده برای عایق‌ها تقریباً به طور قطع بالاتر از استفاده واقعی خواهد بود، زیرا اکثر موقعیت‌هایی که عایق‌ها در آن قرار دارند تحت شرایط متفاوتی هستند.

تعریفی از R-value بر اساس هدایت حرارتی واقعی در سند C168 که توسط انجمن آزمایش و مواد آمریکا منتشر شده است، ارائه شده است. این سندگرمایی که توسط هر سه مکانیسم - رسانایی، تابش و همرفت منتقل می شود را توصیف می‌کند.

در طول بازنگری مقررات FTC ایالات متحده در مورد تبلیغات R-value که پیچیدگی مسائل کاربرد آن را نشان می‌دهد، بحث بین نمایندگان بخش‌های مختلف صنعت عایق بندی ایالات متحده همچنان ادامه دارد.

کلام آخر

هرچه عایق ضخیم‌تر باشد، می‌توانید خانه خود را راحت تر نگه دارید. با این حال، عایق بندی تنها راه برای کنترل گرمایش و سرمایش خانه شما نیست. در ایران R-value کاربردی ندارد و تولیدکنندگان عایق نیز به این نرخ توجهی ندارند. در ایران عایق بندی متناسب با نرخ انتقال حرارت محاسبه می‌شود. R-value معیار قابل فهم بسیار ساده‌ای برای عایق بندی ساختمان‌ها است چرا که مشتریان به راحتی می‌توانند بر اساس نیاز  خود به راحتی محاسبه نموده و متریال لازم برای عایق کاری را انتخاب کنند. با این حال با گران‌تر شدن انرژی در کشور باعث شده عایق کاری ساختمان روز به روز بیشتر اهمیت یابد.

 منبع : بانک مقالات ایران سیب

ترتیبی که ایران سیب برای خواندن مطالب سری "مقاومت حرارتی" به شما پیشنهاد می‌کند:

1. عایق

2. تاریخچه عایق

3. روش های انتقال حرارت در ساختمان

4. مقاومت حرارتی

5. انواع عایق

6. عایق صوتی

7. عایق حرارتی

8. عایق رطوبتی

9. عایق الکتریکی

10. عایق ضد حریق

11. عایق الاستومری

12. عایق نانو

13. رنگ عایق

تعداد بازدیدها: 946