Θερμοπερατότητα

Η θερμοπερατότητα, επίσης γνωστή ως τιμή U (U-value), είναι η ποσότητα θερμότητας ανά μονάδα χρόνου που περνά μέσα από 1m² στοιχείου κατασκευής με πάχος d (m) όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των επιφανειών αυτών είναι ίση με 1 K. Εκφράζεται σε βατ ανά τετραγωνικό μέτρο kelvin, W / m²K ή W. m⁻².K⁻¹. Τα καλά μονωμένα τμήματα ενός κτιρίου έχουν χαμηλή θερμοπερατότητα, ενώ τα κακώς μονωμένα μέρη ενός κτιρίου έχουν υψηλή θερμοπερατότητα. Οι απώλειες που οφείλονται σε θερμική ακτινοβολία, συναγωγή θερμότητας και θερμική αγωγιμότητα λαμβάνονται υπόψη στην τιμή U. Αν και έχει τις ίδιες μονάδες με τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (h), η θερμική μετάδοση είναι διαφορετική στο ότι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιείται μόνο για να περιγράψει τη μεταφορά θερμότητας στα υγρά, ενώ η θερμοπερατότητα χρησιμοποιείται για την απλοποίηση μιας εξίσωσης που έχει διάφορες μορφές θερμικών αντιστάσεων R.

H θερμοπερατότητα περιγράφεται από την σχέση:

Φ = A x U x (T₁ - T₂)

όπου Φ είναι η μεταφορά θερμότητας σε W, U είναι η θερμοπερατότητα, T₁ είναι η θερμοκρασία στη μία πλευρά της δομής, T₂ είναι η θερμοκρασία στην άλλη πλευρά της δομής και A είναι η επιφάνεια σε τετραγωνικά μέτρα.

Η θερμική διαπερατότητα των περισσοτέρων τοίχων και οροφών μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας το ISO 6946. Για τους περισσότερους ισόγειους χώρους η θερμική διαπερατότητα των τοίχων μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το ISO 13370. Για τα περισσότερα παράθυρα ο υπολογισμός μπορεί να γίνει με χρήση ISO 10077 ή ISO 15099. Το ISO 9869 περιγράφει τον τρόπο μέτρησης της θερμικής διαπερατότητας μιας δομής πειραματικά.

Υπολογισμός της θερμοπερατότητας

Ο μαθηματικός τύπος υπολογισμού της θερμοπερατότητας για αδιαφανή υλικά δίνεται από την σχέση:

$U={\frac {1}{R_{t}}}={\frac {1}{Rs_{i}+R_{1}+R_{2}+...+R_{n}+Rs_{e}}}$

όπου:

R_t: ολική θερμική αντίσταση (m² · K · W^-1)

R_Si: θερμική αντίσταση εσωτερικής επιφάνειας (m² · K · W^-1)

R_j: θερμική αντίσταση καθενός από τα στρώματα που αποτελούν το στοιχείο (m² · K · W^-1)

R_Se: θερμική αντίσταση εξωτερικής επιφάνειας (m² · K · W^-1)

Στην οποία η θερμική αντίσταση κάθε στρώματος είναι:

$R_{j}={\frac {e_{j}}{\lambda _{j}}}$

όπου:

e_j: Το πάχος της στρώσης j

λ_j: Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας

Κατά τον υπολογισμό μιας θερμοπερατότητας είναι χρήσιμο να εξετάσουμε την κατασκευή του κτιρίου από άποψη διαφορετικών στρωμάτων. Ο συντελεστής R είναι ένα μέτρο της θερμικής αντίστασης, ή αλλιώς της ικανότητας της μεταφοράς της θερμότητας από το ζεστό στο κρύο, διαμέσου των υλικών (για παράδειγμα μόνωση) και σύνθετα δομικά στοιχεία (όπως τοίχοι και πατώματα). Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής R ενός υλικού, τόσο καλύτερη θερμομονωτική ικανότητα έχει. H θερμική αντίσταση(R) εξαρτάται από την θερμική αγωγιμότητα του υλικού, όπως και από το πάχος του. Στην περίπτωση ελαστικού η πορώδους υλικού θα πρέπει να λαμβάνεται υπ’ όψιν και η απώλεια θερμότητας μέσω μεταφοράς της θερμότητας με συναγωγή η με ακτινοβολία. Ωστόσο, ο συντελεστής R δεν σχετίζεται με τις μεταφορικές και ραδιενεργές ιδιότητες της επιφάνειας του υλικού, οι οποίες μπορεί να αποτελούν σημαντικό παράγοντα σε ορισμένες εφαρμογές. Ο συντελεστής R ποικίλει ανάλογα με την θερμοκρασία, αλλά στην κατασκευή είναι σημαντικό να θεωρείται σταθερός για ένα συγκεκριμένο υλικό ή δομικό στοιχείο.

Μέτρηση θερμοπερατότητας

Μέτρηση του συντελεστή θερμοπερατότητας με έναν αισθητήρα ροής θερμότητας gSKIN®-XO (δεξιά) και έναν αισθητήρα θερμοκρασίας (αριστερά).

Ενώ ο υπολογισμός της θερμοπερατότητας μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια λογισμικού που συμμορφώνεται με το πρότυπο ISO 6946, ο υπολογισμός θερμικής μετάδοσης δεν λαμβάνει πλήρως υπόψη την ποιότητα κατασκευής και δεν υπολογίζει την τυχαία κυκλοφορία αέρα μεταξύ, μέσα και γύρω από τμήματα της μόνωσης η οποία μπορεί να έχει προκύψει από λάθη η και την κακή της κατασκευή του δομικού στοιχείου (π.χ. κατά την τοποθέτηση της μόνωσης). Για να ληφθούν πλήρως υπόψη τα αποτελέσματα των παραγόντων που σχετίζονται με την ποιότητα της κατασκευής, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μέτρηση θερμοπερατότητας .

Το ISO 9869 περιγράφει τον τρόπο μέτρησης της θερμοπερατότητας μιας στέγης ή ενός τοίχου χρησιμοποιώντας αισθητήρα ροής θερμότητας. Αυτοί οι μετρητές ροής θερμότητας συνίστανται συνήθως σε θερμοπυρήνες (thermopiles), οι οποίοι παρέχουν ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο είναι άμεσα αναλογικό με τη ροή θερμότητας. Συνήθως μπορεί να έχουν διάμετρο περίπου 100 mm και πάχος περίπου 5 mm και πρέπει να σταθεροποιηθούν στην οροφή ή τον τοίχο που υπόκειται σε έλεγχο για να εξασφαλιστεί καλή θερμική επαφή. Όταν η ροή θερμότητας παρακολουθείται για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, η θερμική μετάδοση μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας τη μέση ροή θερμότητας με τη μέση διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κτιρίου. Για τις περισσότερες κατασκευές τοίχου και στέγης, ο μετρητής ροής θερμότητας πρέπει να ελέγχει συνεχώς τις ροές θερμότητας (εσωτερικές και εξωτερικές θερμοκρασίες) για ένα διάστημα 72 ωρών ώστε η μέτρηση να είναι σύμφωνη με τα πρότυπα ISO 9869. Γενικά, οι μετρήσεις θερμικής διαπερατότητας είναι πιο ακριβείς όταν:

• Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κτιρίου είναι τουλάχιστον 5 ° C.
• Ο καιρός είναι συννεφιασμένος και όχι ηλιόλουστος (αυτό κάνει πιο εύκολη την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας).
• Υπάρχει καλή θερμική επαφή μεταξύ του μετρητή ροής θερμότητας και του δοκιμασμένου τοίχου ή οροφής.
• Η παρακολούθηση της ροής θερμότητας και των θερμοκρασιών πραγματοποιείται για τουλάχιστον 72 ώρες.
• Η μέτρηση γίνεται σε διαφορετικά σημεία σε ένα δομικό στοιχείο ή χρησιμοποιείται μια θερμογραφική κάμερα για την εξασφάλιση της ομοιογένειας του δομικού στοιχείου.

Όταν τα μεταγωγικά ρεύματα μεταφοράς συμβάλλουν στη μετάδοση θερμότητας σε ένα δομικό στοιχείο, τότε η θερμοπερατότητα αυξάνεται καθώς αυξάνεται η διαφορά θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, για μια εσωτερική θερμοκρασία 20 βαθμών Κελσίου και μια εξωτερική θερμοκρασία -20 βαθμών Κελσίου, το βέλτιστο διάκενο μεταξύ των υαλοπινάκων σε ένα παράθυρο διπλού υαλοπίνακα θα είναι μικρότερο από το βέλτιστο κενό όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι 0 βαθμοί Κελσίου. Η εγγενής θερμοπερατότητα των υλικών μπορεί επίσης να ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία - οι σχετικοί μηχανισμοί είναι πολύπλοκοι και η μετάδοση μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται.