Rata fluxului de căldură printr-un material sau ansamblu

Valoarea U măsoară câtă căldură trece printr-o componentă a clădirii pe unitate de suprafață, pe grad de diferență de temperatură. Se măsoară în W/(m²·K) sau BTU/(h·ft²·°F). O valoare U mai mică = o izolație mai bună. Ferestrele, pereții și acoperișurile au toate evaluări ale valorii U.

Exemplu: O fereastră cu U=0.30 W/(m²·K) pierde 30 de wați pe metru pătrat pentru fiecare 1°C diferență de temperatură. U=0.20 este o izolație cu 33% mai bună.

Capacitatea unui material de a rezista fluxului de căldură

Valoarea R este inversul valorii U (R = 1/U). O valoare R mai mare = o izolație mai bună. Se măsoară în m²·K/W (SI) sau ft²·°F·h/BTU (SUA). Codurile în construcții specifică valorile R minime pentru pereți, tavane și podele, în funcție de zonele climatice.

Exemplu: Vata de sticlă R-19 oferă o rezistență de 19 ft²·°F·h/BTU. R-38 în pod este de două ori mai eficient decât R-19.

Proprietatea materialului: cât de bine conduce căldura

Conductivitatea termică (λ sau k) este o proprietate intrinsecă a materialului, măsurată în W/(m·K). O valoare k mică = un bun izolator (spumă, vată de sticlă). O valoare k mare = un bun conductor (cupru, aluminiu). Se folosește pentru a calcula valoarea R: R = grosime / k.

Exemplu: Vata de sticlă k=0.04 W/(m·K), oțel k=50 W/(m·K). Oțelul conduce căldura de 1250 de ori mai repede decât vata de sticlă!

Numere mai mari = izolație mai bună

Valoarea R este intuitivă: R-30 este mai bun decât R-15. Utilizată în America de Nord pentru produsele de izolație. Valorile se adună în serie: straturile se suprapun. Comună în construcțiile rezidențiale, codurile în construcții și etichetarea produselor.

• Unități: ft²·°F·h/BTU (SUA) sau m²·K/W (SI)
• Interval: R-3 (fereastră cu un singur geam) la R-60 (izolația podului)
• Exemplu perete: cavitate R-13 + spumă R-5 = R-18 total
• Regulă generală: Valoarea R pe inch variază în funcție de material (R-3.5/inch pentru vată de sticlă)
• Ținte tipice: pereți R-13 la R-21, tavane R-38 la R-60
• Marketing: Produse promovate prin valoarea R ('vata R-19')

Numere mai mici = izolație mai bună

Valoarea U este contraintuitivă: U-0.20 este mai bun decât U-0.40. Utilizată la nivel global, în special pentru ferestre și calculele pentru întreaga clădire. Nu se adună simplu—necesită calcul reciproc. Comună în construcțiile comerciale și codurile energetice.

• Unități: W/(m²·K) sau BTU/(h·ft²·°F)
• Interval: U-0.10 (fereastră cu geam triplu) la U-5.0 (fereastră cu un singur geam)
• Exemplu fereastră: U-0.30 este de înaltă performanță, U-0.20 este casă pasivă
• Calcul: Pierdere de căldură = U × Arie × ΔT
• Ținte tipice: ferestre U-0.30, pereți U-0.20 (comercial)
• Standarde: ASHRAE, IECC utilizează valorile U pentru modelarea energetică

Fluxul de căldură prin materiale solide

Căldura se transferă prin contact direct între molecule. Metalele conduc căldura rapid, în timp ce materialele izolatoare rezistă. Guvernată de Legea lui Fourier: q = k·A·ΔT/d. Dominantă în pereți, acoperișuri, podele.

• Montanți metalici creând punți termice (creștere cu 25% a pierderilor de căldură)
• Mânerul fierbinte al tigăii conducând căldura de la aragaz
• Căldura care trece prin perete de la interiorul cald la exteriorul rece
• Izolația reducând transferul de căldură prin conducție

Transfer de căldură prin mișcarea fluidelor/aerului

Căldura se deplasează odată cu fluxul de aer sau lichid. Convecție naturală (aerul cald se ridică) și convecție forțată (ventilatoare, vânt). Scurgerile de aer cauzează pierderi majore de căldură. Etanșarea la aer oprește convecția; izolația oprește conducția.

• Curenți de aer prin goluri și crăpături (infiltrare/exfiltrare)
• Aerul cald care scapă prin pod (efect de coș)
• Distribuția încălzirii/răcirii cu aer forțat
• Vântul care crește pierderile de căldură prin pereți

Transfer de căldură prin unde electromagnetice

Toate obiectele emit radiație termică. Obiectele fierbinți radiază mai mult. Nu necesită contact sau aer. Barierele radiante (folie reflectorizantă) blochează peste 90% din căldura radiantă. Factor major în poduri și la ferestre.

• Lumina soarelui încălzind prin ferestre (câștig solar)
• Barieră radiantă în pod care reflectă căldura
• Acoperiri Low-E pe ferestre care reduc căldura radiantă
• Căldură infraroșie de la acoperișul fierbinte radiind către podeaua podului

Proprietarii de locuințe și constructorii folosesc zilnic valorile R și U:

• Selectarea izolației: cost/beneficiu vată R-19 vs R-21 pentru pereți
• Înlocuirea ferestrelor: U-0.30 geam triplu vs U-0.50 geam dublu
• Audituri energetice: imagistica termică găsește goluri în valoarea R
• Conformitatea cu codul: îndeplinirea cerințelor locale minime pentru valoarea R
• Planificarea modernizării: adăugarea de R-30 la R-19 în pod (reducere cu 58% a pierderilor de căldură)
• Reduceri de la utilități: multe necesită un minim de R-38 pentru stimulente

Valorile U determină sarcinile de încălzire și răcire:

• Calculul pierderilor de căldură: Q = U × A × ΔT (Manual J)
• Dimensionarea echipamentelor: o izolație mai bună = o unitate HVAC mai mică necesară
• Modelare energetică: BEopt, EnergyPlus folosesc valorile U
• Izolația conductelor: minim R-6 în spații necondiționate
• Analiza amortizării: calcule ROI pentru modernizarea izolației
• Confort: valori U mai mici reduc efectul de perete/fereastră rece

Clădirile mari necesită calcule termice precise:

• Conformitate ASHRAE 90.1: tabele prescriptive cu valori U
• Certificare LEED: depășirea codului cu 10-40%
• Sisteme de pereți cortină: ansambluri U-0.25 la U-0.30
• Depozite frigorifice: pereți R-30 la R-40, tavane R-50
• Analiza costurilor energetice: economii anuale de peste 100.000$ dintr-o anvelopă mai bună
• Punți termice: analizarea conexiunilor de oțel cu FEA

Clădirile ultra-eficiente împing limitele performanței termice:

• Ferestre: U-0.14 la U-0.18 (geam triplu, umplut cu kripton)
• Pereți: R-40 la R-60 (12+ inch de spumă sau celuloză densă)
• Fundație: R-20 la R-30 izolație exterioară continuă
• Etanșeitate la aer: 0.6 ACH50 sau mai puțin (reducere de 99% față de standard)
• Ventilator cu recuperare de căldură: eficiență de peste 90%
• Total: reducere de 80-90% la încălzire/răcire față de minimul codului

• Mai întâi etanșarea la aer: investiție de 500$, economii de energie de 20% (ROI mai bun decât izolația)
• Izolația podului: R-19 la R-38 se amortizează în 3-5 ani
• Înlocuirea ferestrelor: ferestrele U-0.30 reduc pierderile de căldură cu 40% față de U-0.50
• Izolația subsolului: R-10 economisește 10-15% din costurile de încălzire
• Înlocuirea ușii: ușă izolată din oțel (U-0.15) vs lemn gol (U-0.50)

• Cameră cu infraroșu: dezvăluie izolația lipsă și scurgerile de aer
• Test cu ușa suflantă: cuantifică scurgerile de aer (metrica ACH50)
• Test prin atingere: pereții/tavanele reci indică o valoare R scăzută
• Baraje de gheață: semn de izolație inadecvată a podului (căldura topește zăpada)
• Condens: indică punți termice sau scurgeri de aer

• Clime reci: maximizați valoarea R, minimizați valoarea U (prioritatea este izolația)
• Clime calde: bariere radiante în pod, ferestre Low-E blochează câștigul solar
• Clime mixte: echilibrați izolația cu umbrire și ventilație
• Clime umede: bariere de vapori pe partea caldă, preveniți condensul
• Clime uscate: concentrați-vă pe etanșarea la aer (impact mai mare decât în regiunile umede)

• Cel mai bun ROI: Etanșare la aer (20:1), izolația podului (5:1), etanșarea conductelor (4:1)
• ROI moderat: Izolația pereților (3:1), izolația subsolului (3:1)
• Pe termen lung: Înlocuirea ferestrelor (2:1 pe 15-20 de ani)
• Luați în considerare: reducerile de la utilități pot îmbunătăți ROI-ul cu 20-50%
• Amortizare: Amortizare simplă = cost / economii anuale

Igloo-urile mențin 4-15°C în interior când afară sunt -40°C folosind doar zăpadă compactată (R-1 pe inch). Forma de dom minimizează suprafața, iar un tunel mic de intrare blochează vântul. Buzunarele de aer ale zăpezii oferă izolație—dovada că aerul captiv este secretul oricărei izolații.

Plăcile termice ale Navetei Spațiale aveau o conductivitate termică atât de scăzută (k=0.05) încât puteau fi la 1100°C pe o parte și puteau fi atinse pe cealaltă. Făcute din 90% siliciu umplut cu aer, sunt materialul de izolație suprem—R-50+ pe inch la temperaturi înalte.

Casele de dinainte de anii 1940 adesea nu au izolație în pereți—doar lambriu de lemn, montanți și tencuială (total R-4). Adăugarea de izolație R-13 la R-19 reduce pierderile de căldură cu 70-80%. Multe case vechi pierd mai multă căldură prin pereți decât prin podurile slab izolate.

Gheața are k=2.2 W/(m·K), sticla are k=1.0. Dar aerul (k=0.026) captiv în cristalele de gheață face zăpada/gheața un izolator decent. Paradoxal, zăpada umedă pe acoperișuri este o izolație mai bună (R-1.5/inch) decât gheața solidă (R-0.5/inch) datorită buzunarelor de aer.

Vata de sticlă cu valoarea R-19 (5.5 inch) comprimată la 3.5 inch pierde 45% din valoarea sa R (devine R-10). Buzunarele de aer—nu fibrele—oferă izolație. Nu comprimați niciodată izolația; dacă nu se potrivește, folosiți un material cu densitate mai mare.

Aerogelul este 99.8% aer și deține 15 Recorduri Guinness pentru izolație. La R-10 pe inch (față de R-3.5 pentru vată de sticlă), este izolatorul preferat de NASA. Dar costul (20-40$/sq ft) îl limitează la aplicații specializate precum roverele de pe Marte și pături de izolație ultra-subțiri.

Valoarea R măsoară rezistența la fluxul de căldură (mai mare = izolație mai bună). Valoarea U măsoară rata de transmitere a căldurii (mai mică = izolație mai bună). Sunt inverse matematice: U = 1/R. Exemplu: izolație R-20 = U-0.05. Folosiți valoarea R pentru produsele de izolație, valoarea U pentru ferestre și calculele de ansamblu.

Da, dar cu randamente descrescătoare. Trecerea de la R-0 la R-19 reduce pierderile de căldură cu 95%. De la R-19 la R-38 reduce cu încă 50%. De la R-38 la R-57 reduce cu doar 33%. Mai întâi, etanșați la aer (impact mai mare decât izolația). Apoi adăugați izolație unde valoarea R este cea mai mică (de obicei în pod). Verificați dacă izolația este comprimată sau umedă—înlocuirea este mai bună decât adăugarea.

Convenție și complexitate. Ferestrele au multiple mecanisme de transfer de căldură (conducție prin sticlă, radiație, convecție în spațiile de aer), ceea ce face valoarea U mai practică pentru evaluarea performanței generale. Pereții sunt mai simpli—în principal conducție—deci valoarea R este intuitivă. Ambele metrici funcționează pentru oricare; este doar preferința industriei.

Absolut! Valoarea R rezistă fluxului de căldură în ambele direcții. Vara, izolația de pod R-30 menține căldura AFARĂ la fel de eficient cum menține căldura ÎNĂUNTRU iarna. Climatele calde beneficiază de o valoare R mare + bariere radiante + acoperișuri de culoare deschisă. Concentrați-vă pe pod (minim R-38) și pe pereții orientați spre vest.

Mai întâi etanșarea la aer, apoi izolația. Scurgerile de aer pot ocoli complet izolația, reducând un R-30 la un R-10 efectiv. Studiile arată că etanșarea la aer oferă un ROI de 2-3 ori mai mare decât izolația singură. Etanșați mai întâi (chit, garnituri, spumă), apoi izolați. Împreună, reduc consumul de energie cu 30-50%.

Împărțiți 1 la valoarea R: U = 1/R. Exemplu: perete R-20 = 1/20 = U-0.05 sau 0.28 W/(m²·K). Invers: R = 1/U. Exemplu: fereastră U-0.30 = 1/0.30 = R-3.3. Notă: unitățile contează! Valorile R din SUA necesită factori de conversie pentru valorile U din SI (înmulțiți cu 5.678 pentru a obține W/(m²·K)).

Oțelul este de 1250 de ori mai conductiv decât izolația. Montanții metalici creează punți termice—căi conductive directe prin ansamblul peretelui. Un perete cu izolație de cavitate R-19 și montanți de oțel atinge doar un R-7 efectiv (reducere de 64%!). Soluția: izolație continuă (plăci de spumă) peste montanți, sau cadre de lemn + spumă exterioară.

Depinde de zona climatică (1-8) și de componenta clădirii. Exemplu: Zona 5 (Chicago) necesită pereți R-20, tavan R-49, subsol R-10. Zona 3 (Atlanta) necesită pereți R-13, tavan R-30. Verificați codul local în construcții sau tabelele IECC. Multe jurisdicții necesită acum pereți R-20+ și poduri R-40+ chiar și în climate moderate.