جمعه , ۲۷ مرداد ۱۳۹۶
اعلان

عایق و اصل های آن

عایق و اصول آن

عایق و اصول آن

مفاهیم و اصول اساسی در مورد عایق

مكانیسم های انتقال گرما:

كاملاً آشكار است كه یك خانه در فصل زمستان گرما از دست می‌دهد و در تابستان گرما را به درون وارد می‌كند. گرما یا انرژی حرارتی به طور مستمر درمواد و محیط جریان دارد و مسیر با حداقل مقاومت را انتخاب و از یك شی گرم به یك شی سرد منتقل می‌شود.
برای آنكه بدانیم عایق های حرارتی چگونه عمل می‌كنند باید در ابتدا سه مكانیسم انتقال انرژی گرمایی را درك كنیم كه عبارتند از :
همرفت، رسانش و تابش . در زمستان گرمای موجود در اتاق نشیمن یك خانواده به طور نامشخص بوسیله جریان هوا به جاهایی كه گرم نیستند مثل زیر زمین، اتاق زیر شیروانی و گاراژ حركت می‌كند. این مثالی است از گردش گرما از طریق جریان هوا كه آن را به عنوان همرفت می‌شناسیم. مثال دیگر زمانی است كه گرمای یك قهوه داغ از طریق فنجان به دست هایی كه فنجان را نگاه داشتند منتقل می‌شود این عامل نیز به عنوان رسانش شناخته می‌شود یا كه بوسیله آن گردش گرما در مواد جامد اتفاق می‌افتد. مثال سوم را می‌توان در پشت بام خانه یافت كه بوسیله انرژی خورشید گرم شده است. این مثالی است برای انتقال گرما از طریق فضا بوسیله موج های الكترومغناطیسی كه به تابش معروف است.

مکانیسم های انتقال گرما

مکانیسم های انتقال گرما

همرفت:

همرفت انتقال فیزیكی گرما بوسیله مولكول ها از یك مكان به مكان دیگر است. همرفت زمانی صورت می‌گیرد كه یك سیال مثل گاز یا مایع گرم شود و از یك مكان به مكان دیگر برود. زمانی كه هوای گرم در اتاق افزایش می‌یابد و هوای خنك به پایین رانده شود فرایند همرفت اتفاق افتاده است. برای مثال هوا وقتی كه گرم شود افزایش یافته و بالا می‌رود. اگر این حركت هوا به صورت مكانیكی توسط پنكه یا باد ایجاد شود به آن همرفت اجباری گویند. زمانی كه خورشید هوا را گرم می‌كند و باعث بالا رفتن آن می‌شود موجب می‌شود تا هوای سرد بتواند یك حلقه همرفتی ایجاد كند كه اصطلاحاً به آن همرفت طبیعی گویند. همرفت طبیعی هم چنین زمانی كه خورشید از طریق پنجره می‌تابد و هوای داخل ساختمان را گرم می‌كند نیز بوجود می‌آید.

رسانش:

فرآیندی است كه در آن انتقال گرما در جامدات بصورت جریان مستقیم گرما از یك جسم به یك یا دو جسم مجزا در طی یك تماس مستقیم صورت می‌گیرد. از لحاظ علمی‌این نوع از انتقال ، انتقال مولكول به مولكول انرژی جنبشی است. به این صورت كه یك مولكول انرژی می‌گیرد و باعث انرژی گرفتن دیگر مولكول ها می‌شود. یك میله آهنی گرم می‌شود چرا كه در اثر رسانش گرما از داخل اجاق به فلز منتقل شده است. همچنین زمانی كه فردی پنجره گرم شده در اثر انرژی خورشیدی را لمس می‌كند یا وقتی كه دسته انبر داخل آتش بعد از چند دقیقه گرم می‌شود در حقیقت رسانش صورت گرفته است.
همرفت و رسانش توابعی از سختی سطوح، جنبش هوا، و اختلاف دما بین هوا و سطح هستند. عایق ها به خاطر چگالی كم شان به منظور جلوگیری از همرفت و رسانش طراحی شده اند. عایق ها می‌توانند مولكول های هوا را در ساختار خود حبس كنند و از انتقال شان جلوگیری نمایند. جریان های هوای همرفتی توسط سلول ها یا فیبرهای ماتریكسی احاطه می‌شوند و شانس انتقال حرارت با كاهش حركت مولكول های هوا كاهش می‌یابد. عایق‌های فوم نیز بر همین اصل استوار هستند تنها به جای استفاده از هوا در ساختار آنها از گاز نیز استفاده می‌شود.

تابش:

سومین راه انتقال انرژی از طریق تابش است. مشخص است كه خورشید سطح زمین را گرم می‌كند و از طریق موج های الكترود مغناطیس گرما را منتقل می‌نماید و این انرژی توسط سطح جذب می‌شود، برای مثال فردی كه در مجاورت پنجره آفتاب می‌گیرد گرمای تابشی را جذب می‌كند. در داخل یك خانه ممكن است سطوح گرما را از طریق تابش به سطوح دیگر انتقال دهند كه می‌تواند بر دمای پیرامون منزل موثر باشد.
انرژی گرمایی كه از تابش بدست می‌آید باعث ایجاد راحتی در تابستان می‌شود كه البته دیوارهای خارجی و سقف این انرژی از خورشید جذب می‌كنند. در نتیجه این انرژی از طریق همرفت و رسانش وارد فضای داخلی منزل می‌شود. در نواحی گرمسیر این فرآیند دارای اهمیت بیشتری است. انتقال گرما از طریق تابش در بین اشیاء به صورت مستقل از جریان هوا عمل می‌كند. و بوسیله قابلیت نشر سطوح و تفاوت دمایی بین اشیاء سرد و گرم كنترل می‌شود. شدت نشر یا تا بندگی به قابلیت انتشار انرژی تابشی از سطوح مواد گفته می‌شود. كلید مواد دارای دامنه انتشاری از صفر تا یك هستند. هر چه میزان نشر كمتر باشد گرمایی تابیده شده نیز در سطح كمتر است. فویل آلومینیوم دارای قابلیت انتشار پایین ای است و به همین خاطر در عایق های انعكاسی استفاده می‌شود.
قابلیت انعكاس به شكست انرژی تابشی كه از یك سطح ساطع شده گفته می‌شود. قابلیت انعكاس و قابلیت انتشار با یك دیگر در ارتباط اند و هر چه میزان انتشار پایین تر باشد میزان انعكاس سطح بیشتر است. مثلاً آلومینیوم با قابلیت انتشار ۰۳/۰ قابلیت انعكاس ۹۷/۰ را دارد.
مقاومت در برابر روش های متفاوت انتقال گرما می‌تواند به عناصر سازنده یك دیوار مرتبط باشد. این عناصر عبارتند از:
۱- لایه های سطوح بیرونی: سطح بیرونی یك لایه نازك از هوا را كه در برابر جریان گرما مقاومت می‌كند شكل می‌دهد. این لایه با توجه به سرعت باد و سختی سطح متفاوت است.
۲- لایه های مواد: هر لایه ای از مواد با توجه به چگالی شان در برابر گردش هوای گرم مقاومت می‌كند. یك لایه با عایق مناسب به طور معمول چندین برابر مقام تر است در برابر انتقال گرما نسبت به تركیب بقیه مصالح مورد استفاده .
۳- حجم هوا: حجم هوا و هم چنین ضخامت آن به مقاومت كلی كمك می‌كند. سطوح فویل شده با قابلیت انتشار پایین كه محدوده حجمی‌هوا را شكل می‌دهند می‌توانند میزان انتقال تابشی را در یك محیط كاهش دهند (به شرطی كه حجم هوایی حداقل ۴/۳ تا ۱ اینچ باشد).
۴- لایه داخلی: سطح داخلی یك ساختمان نیز می‌تواند لایه نازك از هوا را محصور كند. معمولاً ضخامت این لایه به خاطر سرعت كمتر هوا بیشتر است.

نقشه جریان گرمایی جهان

نقشه جریان گرمایی جهان

جریان گرمایی:

مهم است كه دوباره ذكر كنیم كه انرژی گرمایی همیشه از یك شیء گرم به یك شیء سرد منتقل می‌شود. در مورد ساختمان ها ما به جریان گرمایی و گردش آن از طریق مختلف اشاره می‌كنیم. اندازه گیری این جریان بوسیله تحلیل ریاضیاتی در دیوار،كف، و سقف ممكن می‌ شود. عاملU و عامل R مهمترین این معیارها هستند.

عامل (U- Value)

میزان گردش گرما از طریق یك ساختمان را به عنوان مقدار u یا عامل u می‌شناسند. عامل u معیاری است كه جریان گرمایی درون یك ماده كه باعث تغییر دما در دو طرف می‌شود را مشخص می‌كند. در سیستم اندازه گیری اینچ – پوند (I- P) عامل U تعداد واحدهای حرارتی انرژی است(Btu) كه در یك ساعت یك فوت مربع از ماده ای را با یك درجه فارنهایت تفاوت در دما طی می‌كند. (Btu/ft2. H.f)
درسیستم اندازه گیری متری معمولاً به صورت وات بر متر مربع در هر درجه سانتی گراد عنوان می‌شود (W/m2. c) از آنجایی كه عامل U معیاری برای اندازه گیری جریان گرمایی است هر چقدر كه كمتر باشد به این معنی است كه انتقال گرما در ماده به داخل و خارج خانه آرامتر صورت می‌گیرد. عامل u را معمولاً به منظور رسانایی كلی حرارتی بیان می‌كند چرا كه معیاری است برای میزان گردش گرما در برابر یك مانع كلی مثلاً‌ از هوای اتاق به هوای بیرون. هر چه میزان فاكتور u كمتر باشد مقدار عایق بیشتر است. فاكتور u یك واحد معمول برای استفاده در صنعت ساختمان سازی است كه به منظور مشخص نمودن میزان رسانای جذب یا دفع گرما استفاده می‌شود. دیگر مواد ساختمانی مثل عایق، سقف و مصالح كف سازی با فاكتور R كه اغلب برای رسانایی گرما سنجیده می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرد.

U-Values-عامل یو

U-Values-عامل یو

عامل (R-Value)

رایج ترین منبع اندازه گیری مقدار حرارتی صنعت عایق كه توسط زبان ریاضیاتی سنجیده می‌شود عامل R یا میزان مقاومت در برابر جریان گرما است. از آنجایی كه عامل R میزان مقاومت یك محصول رانسبت به جریان گرما می‌سنجد بنابراین هر چه مقدار فاكتور R بالاتر باشد مقاومت آن محصول نیز بیشتر است. عایق ها كه بوسیله میزان مقاومت شان در برابر گرما سنجیده می‌شوند همین عامل R را نشان می‌دهند. پس بنابراین هر چه عامل R در یك عایق بیشتر باشد میزان مقاومتش بیشتر خواهد بود.
عامل R را در آزمایشگاه ها و بوسیله یك جعبه گرم حفاظ دار می‌سنجند. جریان گرما كه از طریق یك لایه و از یك طرف ماده وارد می‌شود در یك دمای ثابت معمولاً ۳۲ درجه سانتی گراد حفظ شده و میزان انرژی مكملی را كه در طرف دیگر ماده نیاز است تا در دمای متفاوت مثلاً ۱۰ درجه سانتی گراد محاسبه شود اندازه گیری می‌كنند. (این فرآیند با جزئیات كامل بوسیله جامعه آزمایش مواد آمریكا (ASTM) تشریح شده است. نتیجه میزان ثابتی از فاكتور R است. به این خاطر آن را میزان ثابت گویند كه تفاوت در دما در طول آزمایش در ماده ثابت است.)
در سال ۱۹۸۰ كمیسیون تجارت فدرال آمریكا قانونی وضع كرد كه براساس آن باید جهت آگاهی و اطمینان مصرف كنندگان میزان فاكتور R برای عایق های ساختمانی در آگهی های مناسب در زمان فروش مشخص شود. هدف این كمیسیون(FTC) از مشخص كردن میزان فاكتور R جلوگیری از گمراهی مصرف كنندگان بود كه در بعضی مواقع توسط فروشندگانی كه ادعای نادرست در مورد فاكتور R عایق می‌كردند فریب می‌خوردند.
در جریان گردش گرما از طریق یك جسم جامد به هوا مشاهده شده است كه میسر گرما به سمت هوا تنها از طریق رسانش انجام نمی‌شود. در عوض بخشی از آن بوسیله تابش و بخشی دیگر از طریق همرفت طبیعی صورت می‌گیرد و از این رو یك تفاوت دمایی بین جسم جامد گرم و میانگین حرارت هوا وجود دارد. در این مورد مقاومت در مقابل انتقال گرما را نمی‌توان تنها از طریق رسانش گرما در هوا محاسبه كرد. چرا كه باید مقاومت جسم را بصورت تجربی بوسیله اندازه گیری دمای سطح آن ، دمای هوا، و میزان گرمای انتقال یافته از جسم جامد به هوا محاسبه كرد. این مقاومت محاسبه شد تركیبی از مقاومت‌های رسانشی، هم رفت طبیعی، و تابشی است.
ملزومات فاكتور R برای طراحی یك واحد مسكونی در یك مكان خاص بوسیله دستور العمل IECC یا همان مدل انرژی سابق اجباری شده است. بسیاری از آژانس های مسكن این فرآیند را برای واحدهای مسكونی بصورت تقریبی محاسبه می‌كنند و تولیدكنندگان اغلب خطوط راهنمای كلی را مشخص می‌كند (شكل شماره ۳۰۱) ولیكن همیشه باید در نظر داشت كه موارد ذكر شده برای ارگان ها یا ساختمان های مسكونی باید مطابق استاندارد باشد.
فاكتور R برای ضخامت ۱ اینچ است و نه صرفاً در هر اینچ. فاكتورهای R معمولاً برای میانگین دمایی ۲۳ درجه سانتی گراد بر قوانین FTC گزارش شده است. فاكتور R در هر اینچ از یك ماده معمولاً مساوی نیست بلكه می‌تواند بوسیله فاكتورهای متعددی مثل دما، چگالی ، و ضخامت تغییر كند.
نتایج آزمایشگاهی در دمای ۲۳ درجه سانتی گراد برای مقایسه كنترل شده در انتخاب موارد كافی است اما اكثر مواد عایق در دماهای پایین تر فاكتور R بالاتری دارند. تفاوت در این مقدار به علت تغییرات رسانشی هوا در عایق است و می‌تواند متاثر از تغییرات تابشی انتقال گرما باشد.
در بعضی موارد این تغییر قابل توجه است برای مثال در زمستان دما بیرون ممكن است ۱۷- درجه سانتی گراد باشد و دمای داخل ۲۱ درجه سانتی گراد باشد كه دمای میانگین آن معادل ۲ درجه سانتی گراد است. در عوض درمورد تابستان مخصوصاً‌ در قسمت های جنوبی می‌توان میانگین دمایی بین ۳۲ تا ۴۳ سانتی گراد را تجربه كرد. تغییر در فاكتور R بین این دو میانگین می‌تواند حدود ۲۷ درصد باشد.

ضخامت:

معمولاً فاكتور R بصورت خطی افزایش می‌یابد برای مثال ضخامت ۲ اینچی از یك ماده دارای فاكتور R دو برابر همان جنس با ضخامت یك اینچ است . پیشرفت های اخیر در تكنولوژی عایق های حرارتی پدیده ای به نام تأثیر ضخامت را در مواد با چگالی پایین نشان داده است و به زبان ساده تأثیر ضخامت كاهشی مشخص در فاكتور R در هر اینچ است كه باعث افزایش ضخامت می‌شود. نمونه های بسیاری مشخص كرده اند كه در حقیقت عامل رسانش فاكتور R را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چگالی:

فاكتور R در بعضی عایق های خاص باتغییر چگالی به طور قابل توجهی تغییر می‌كند. این نكته مهمی‌است در استفاده از عایق های الیافی كه چگالی آنها تحت كنترل مستقیم پیمانكار است. برای مثال فایبرگلاس را معمولاً با فاكتور R حدود ۲/۲ – در اینچ طبقه بندی می‌كند. اما این در شرایط چگالی بدون فشار اندازه گیری شده واگر همین ماده را با فشار بر روی دیواری نصب كنیم فاكتور R آن تقریباً به حدود ۴- در هر اینچ می‌رسد. چنین تأثیری برای عایق سلولز وجود ندارد چرا كه فاكتور R آن با افزایش چگالی كاهش می‌یابد.
عایق پتویی هم چنین متأثر از چگالی است فشردن یك رول عایق پتویی را در داخل یك حفره باریك منجر به متراكم تر شدن عایق می‌شود عایق پتویی با فاكتور R 13 را برای یك دیوار باقاب چوبی ۴٫ ۲ مناسب می‌سازد. حال اگر همین عایق از جنس فایبرگلاس كه با فاكتور R 19 است برای یك دیوار ۶٫ ۲ طراحی كنیم و با فشار به داخل حفره كه تنها ۵/۳ اینچ است وارد كنیم فاكتور R كلی این عایق كمتر از ۱۹ خواهد بود.
علت این كار این است كه عامل R این نوع عایق وابستگی زیادی به هوا به عنوان بخشی از تعادل در مقاومت دارد. فشردن عایق حجم هوای بین فیبرها را كاهش می‌دهد كه منتج به كاهش فاكتور R در هر اینچ می‌شود.
توضیح چگالی نباید با چگالی های طراحی شده متفاوت عایق ها اشتباه شود. معمولاً براساس واحدهای اندازه گیری كیلوگرم بر متر مكعب محصولات متفاوت را برای مكانهای متفاوت بهینه می‌كند و در نتیجه فاكتور R در زمان تولید با توجه به چگالی متفاوت است. از دیدگاه فنی هر گونه عایق پایه هوا مثل فایبرگلاس نمی‌تواند فاكتور R ای بالاتر از ۵/۵ در هر اینچ داشته باشد چرا كه ۵/۵ فاكتور R هوای ثابت است. فوم های پلاستیكی مثل اوریتان و پلی استرین گاهی اوقات مقدارشان از این عدد بیشتر است چرا كه به جای هوا در سلول های آنها از گاز فلوروكربن استفاده شده است . این عوامل را در بحث های آتی این كتاب بیشتر مورد بررسی قرار می‌دهیم.
دیگر موارد استثناء در مورد تجاوز كردن از این حیطه تئوریك را می‌توان در عایقهائی یافت كه شامل پودرهای بسیار نرم می‌شود. در این مواد فاكتور R در حقیقت بوسیله ذرات بسیار ریز پودر كه در رسانش هوا اختلال ایجاد می‌كنند افزایش می‌یابد. اگر چه ممكن است چنین موادی در حال حاضر در بازار موجود نباشند ولی ممكن است در آینده وارد بازار شوند.
همان گونه كه ذكر شد فاكتور U به عنوان واحد اندازه گیری صنعت ساختمان جهت كاهش یا افزایش گرما از طریق رسانش می‌باشد. در مورد دیگر مواد ساختمانی مثل عایق، سقف، و كف پوش ها بیشتر از عامل R جهت كنترل، رسانش گرما استفاده می‌شود. رابطه ساده ای بین دو فاكتور R و U موجود است بدین ترتیب كه U=1/R R=1/U
برای مثال فاكتور U 25/0 معادل ۲۵/۱ است یا همان فاكتور R 4 است. بر عكس به منظور ایجاد فاكتور R از فاكتور U باید ۱ را بر فاكتور U تقسیم كرد كه می‌شود:

U=1/R R=1/U

سیستم Whole- Wall

به طور معمول اكثر محاسبات انجام شده در مورد فاكتور R بر روی دیوار براساس تجربه با همرفت ساختمانی چوب بوده است و دیگر تأثیرات موثر مواد ساختمانی در پنجره‌ها، درب ها، و گوشه بیرونی دیوارها لحاظ نشده است. از این رو عملكرد حرارتی مد نظر در سیستم كلی دیوار دچار تخمین اضافه ی شده است.
فاكتور R مشخص دیوار (RCW) بر مبنای مساحت بیرونی دیوار است كه تنها شامل عایق و مصالح لازم جهت ساخت آن می‌باشد بدون در نظر گرفتن پنجره ها، درها، گوشه ها یا حتی اتصالات بین این عناصر مثل فونداسیون و سقف. فاكتور R مركزی یك حفره (RCC) در نقطه ای كه دیوار دارای بیشترین عایق باشد محاسبه می‌شود. در این مورد عامل چهارچوب به صفر می‌رسد و مدارهای كوتاه حرارتی كه در بین چهار چوب ها ایجاد می‌شوند به حساب نمی‌آیند.
فاكتور R برای یك دیوار كامل (Rww) برای یك دیوار كه شامل عملكرد حرارتی مد نظر مشخص و جزئیات آن می‌شود مثل دیوار – سقف دیوار – كف، دیوار – در – دیوار – پنجره. فاكتور R برای این نوع دیوار بهتر است فاكتورهای قبلی است. چراكه این فاكتور شامل تأثیر جزئیات مصالح دیگر بكار رفته در دیوار مثل پنجره ها، درها، سقف ها، و فونداسیون می‌باشد. در نظر گرفتن موارد و جزئیات تأثیری به مراتب بیشتر از ۵۰% را ایفا می‌كند. برای بعضی از سیستم دیوارهای هم رفتی فاكتور R تا ۴۰% كمتر از دیگر سیستم هاست.
باافزایش جایگزین های چند بعدی مثل چهارچوب های فلزی برای ساختمان های مسكونی اهمیت استفاده از جزئیات در به حداقل رساندن حرارت مهم می‌شود. از دست دادن گرما از طریق بعضی از این دیوارها می‌تواند ۲ برابر آنچه باشد كه بصورت ساده و سرانگشتی محاسبه شده است. تأثیر كاهش حرارتی شدید بر عملكرد بصورت دقیق در محاسبات انرژی قرار نگرفته كه خود باعث می‌شود مصرف كننده مقایسه درستی نداشته باشد. در نتیجه بازار امروزی برای این موارد در دیوار ساختمان ها محاسبه ای انجام نداده است. البته نرم افزار كامپیوتری برای مدل سازی این فرایند موجود است كه در این متن نمی‌گنجد.

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شدخانه های ضروری نشانه گذاری شده است. *

*