Швидкість теплового потоку через матеріал або конструкцію

U-значення вимірює, скільки тепла проходить через будівельний компонент на одиницю площі за одну градусну різницю температур. Вимірюється у Вт/(м²·К) або BTU/(год·фут²·°F). Нижче U-значення = краща ізоляція. Вікна, стіни та дахи мають рейтинги U-значення.

Приклад: Вікно з U=0.30 Вт/(м²·К) втрачає 30 ват на квадратний метр за кожен 1°C різниці температур. U=0.20 є на 33% кращою ізоляцією.

Здатність матеріалу чинити опір тепловому потоку

R-значення є оберненою величиною до U-значення (R = 1/U). Вище R-значення = краща ізоляція. Вимірюється у м²·К/Вт (SI) або фут²·°F·год/BTU (США). Будівельні норми визначають мінімальні R-значення для стін, стель та підлог на основі кліматичних зон.

Приклад: Скловата R-19 забезпечує опір 19 фут²·°F·год/BTU. R-38 на горищі вдвічі ефективніше, ніж R-19.

Властивість матеріалу: наскільки добре він проводить тепло

Теплопровідність (λ або k) — це внутрішня властивість матеріалу, що вимірюється у Вт/(м·К). Низьке k-значення = хороший ізолятор (піна, скловата). Високе k-значення = хороший провідник (мідь, алюміній). Використовується для розрахунку R-значення: R = товщина / k.

Приклад: Скловата k=0.04 Вт/(м·К), сталь k=50 Вт/(м·К). Сталь проводить тепло в 1250 разів швидше, ніж скловата!

Вищі числа = краща ізоляція

R-значення інтуїтивно зрозуміле: R-30 краще, ніж R-15. Використовується в Північній Америці для ізоляційних продуктів. Значення додаються послідовно: шари складаються. Поширене в житловому будівництві, будівельних нормах та на етикетках продуктів.

• Одиниці: фут²·°F·год/BTU (США) або м²·К/Вт (SI)
• Діапазон: від R-3 (однокамерне вікно) до R-60 (ізоляція горища)
• Приклад стіни: порожнина R-13 + піна R-5 = загалом R-18
• Практичне правило: R-значення на дюйм залежить від матеріалу (R-3.5/дюйм для скловати)
• Типові цілі: стіни R-13 до R-21, стелі R-38 до R-60
• Маркетинг: Продукти рекламуються за R-значенням ('мати R-19')

Нижчі числа = краща ізоляція

U-значення є контрінтуїтивним: U-0.20 краще, ніж U-0.40. Використовується у всьому світі, особливо для вікон та розрахунків для всієї будівлі. Не додається просто—потребує оберненої математики. Поширене в комерційному будівництві та енергетичних нормах.

• Одиниці: Вт/(м²·К) або BTU/(год·фут²·°F)
• Діапазон: від U-0.10 (трикамерне вікно) до U-5.0 (однокамерне вікно)
• Приклад вікна: U-0.30 є високоефективним, U-0.20 — для пасивного будинку
• Розрахунок: Втрата тепла = U × Площа × ΔT
• Типові цілі: вікна U-0.30, стіни U-0.20 (комерційні)
• Стандарти: ASHRAE, IECC використовують U-значення для енергетичного моделювання

Потік тепла через тверді матеріали

Тепло передається через прямий контакт між молекулами. Метали швидко проводять тепло, тоді як ізоляційні матеріали чинять опір. Регулюється законом Фур'є: q = k·A·ΔT/d. Домінує в стінах, дахах, підлогах.

• Металеві стійки створюють теплові містки (збільшення тепловтрат на 25%)
• Гаряча ручка сковорідки проводить тепло від плити
• Тепло тече через стіну з теплого приміщення на холодну вулицю
• Ізоляція зменшує кондуктивну теплопередачу

Теплопередача через рух рідини/повітря

Тепло рухається з потоком повітря або рідини. Природна конвекція (тепле повітря піднімається) та примусова конвекція (вентилятори, вітер). Витоки повітря спричиняють значні втрати тепла. Герметизація зупиняє конвекцію; ізоляція зупиняє провідність.

• Протяги через щілини та тріщини (інфільтрація/ексфільтрація)
• Тепле повітря виходить через горище (ефект димової труби)
• Розподіл опалення/охолодження примусовим повітрям
• Вітер збільшує втрати тепла через стіни

Теплопередача через електромагнітні хвилі

Всі об'єкти випромінюють теплове випромінювання. Гарячі об'єкти випромінюють більше. Не вимагає контакту або повітря. Радіаційні бар'єри (відбиваюча фольга) блокують 90%+ променистого тепла. Основний фактор на горищах та у вікнах.

• Сонячне світло нагріває через вікна (сонячний приріст)
• Радіаційний бар'єр на горищі відбиває тепло
• Низькоемісійне покриття вікон зменшує променисте тепло
• Інфрачервоне тепло від гарячого даху випромінюється на підлогу горища

Власники будинків та будівельники щодня використовують R-значення та U-значення:

• Вибір ізоляції: аналіз витрат/вигод для стінових матів R-19 проти R-21
• Заміна вікон: трикамерні вікна U-0.30 проти двокамерних U-0.50
• Енергетичний аудит: тепловізійне обстеження виявляє прогалини в R-значенні
• Відповідність нормам: дотримання місцевих мінімальних вимог до R-значення
• Планування реконструкції: додавання R-30 до горища R-19 (зменшення тепловтрат на 58%)
• Знижки від комунальних служб: багато вимагають мінімум R-38 для стимулів

U-значення визначають навантаження на опалення та охолодження:

• Розрахунок втрат тепла: Q = U × A × ΔT (Manual J)
• Підбір обладнання: краща ізоляція = потрібен менший блок ОВК
• Енергетичне моделювання: BEopt, EnergyPlus використовують U-значення
• Ізоляція повітроводів: мінімум R-6 у неопалюваних приміщеннях
• Аналіз окупності: розрахунки рентабельності інвестицій у модернізацію ізоляції
• Комфорт: нижчі U-значення зменшують ефект холодної стіни/вікна

Великі будівлі вимагають точних теплових розрахунків:

• Відповідність ASHRAE 90.1: таблиці з нормативними U-значеннями
• Сертифікація LEED: перевищення норм на 10-40%
• Фасадні системи: конструкції з U-значенням від U-0.25 до U-0.30
• Холодильні склади: стіни R-30 до R-40, стелі R-50
• Аналіз енергетичних витрат: щорічна економія понад 100 тис. доларів завдяки кращій оболонці
• Теплові містки: аналіз сталевих з'єднань за допомогою МСЕ

Надзвичайно ефективні будівлі розширюють межі теплових характеристик:

• Вікна: U-0.14 до U-0.18 (трикамерні, заповнені криптоном)
• Стіни: R-40 до R-60 (12+ дюймів піни або щільно упакованої целюлози)
• Фундамент: R-20 до R-30 суцільна зовнішня ізоляція
• Герметичність: 0.6 ACH50 або нижче (зменшення на 99% порівняно зі стандартом)
• Вентилятор з рекуперацією тепла: ефективність 90%+
• Загалом: зменшення опалення/охолодження на 80-90% порівняно з мінімальними нормами

• Спочатку герметизація: інвестиція $500, економія енергії 20% (краща рентабельність, ніж ізоляція)
• Ізоляція горища: з R-19 до R-38 окупається за 3-5 років
• Заміна вікон: вікна з U-0.30 зменшують втрати тепла на 40% порівняно з U-0.50
• Ізоляція підвалу: R-10 економить 10-15% витрат на опалення
• Заміна дверей: ізольовані сталеві двері (U-0.15) проти порожнистих дерев'яних (U-0.50)

• Інфрачервона камера: виявляє відсутню ізоляцію та витоки повітря
• Тест з аеродверима: кількісно визначає витоки повітря (метрика ACH50)
• Тест на дотик: холодні стіни/стелі вказують на низьке R-значення
• Крижані бурульки: ознака недостатньої ізоляції горища (тепло розтоплює сніг)
• Конденсація: вказує на теплові містки або витоки повітря

• Холодний клімат: максимізувати R-значення, мінімізувати U-значення (пріоритет — ізоляція)
• Спекотний клімат: радіаційні бар'єри на горищі, низькоемісійні вікна блокують сонячний приріст
• Змішаний клімат: збалансувати ізоляцію з затіненням та вентиляцією
• Вологий клімат: пароізоляція на теплій стороні, запобігання конденсації
• Сухий клімат: зосередитися на герметизації (більший вплив, ніж у вологих регіонах)

• Найкраща рентабельність: Герметизація (20:1), ізоляція горища (5:1), герметизація повітроводів (4:1)
• Помірна рентабельність: Ізоляція стін (3:1), ізоляція підвалу (3:1)
• Довгострокова: Заміна вікон (2:1 за 15-20 років)
• Враховуйте: знижки від комунальних служб можуть покращити рентабельність на 20-50%
• Окупність: Проста окупність = вартість / річна економія

Іглу підтримують температуру 4-15°C всередині, коли надворі -40°C, використовуючи лише спресований сніг (R-1 на дюйм). Купольна форма мінімізує площу поверхні, а невеликий вхідний тунель блокує вітер. Повітряні кишені снігу забезпечують ізоляцію—доказ того, що утримане повітря є секретом будь-якої ізоляції.

Теплозахисні плитки Космічного Шатла мали настільки низьку теплопровідність (k=0.05), що могли бути нагріті до 1100°C з одного боку і залишатися дотиковими з іншого. Виготовлені з 90% заповненого повітрям кремнезему, вони є найкращим ізоляційним матеріалом—R-50+ на дюйм при високих температурах.

Будинки до 1940-х років часто не мали ізоляції стін—лише дерев'яну обшивку, стійки та штукатурку (загалом R-4). Додавання ізоляції R-13 до R-19 зменшує втрати тепла на 70-80%. Багато старих будинків втрачають більше тепла через стіни, ніж через погано ізольовані горища.

Лід має k=2.2 Вт/(м·К), скло — k=1.0. Але повітря (k=0.026), утримане в кристалах льоду, робить сніг/лід непоганим ізолятором. Парадоксально, але мокрий сніг на дахах є кращою ізоляцією (R-1.5/дюйм), ніж твердий лід (R-0.5/дюйм) через повітряні кишені.

Скловата, розрахована на R-19 (5.5 дюймів), стиснута до 3.5 дюймів, втрачає 45% свого R-значення (стає R-10). Повітряні кишені—а не волокна—забезпечують ізоляцію. Ніколи не стискайте ізоляцію; якщо вона не підходить, використовуйте матеріал вищої щільності.

Аерогель на 99.8% складається з повітря і має 15 рекордів Гіннеса за ізоляцію. При R-10 на дюйм (порівняно з R-3.5 для скловати), це улюблений ізолятор NASA. Але вартість (20-40 доларів за кв. фут) обмежує його застосування спеціалізованими проектами, такими як марсоходи та ультратонкі ізоляційні ковдри.

R-значення вимірює опір тепловому потоку (чим вище = краща ізоляція). U-значення вимірює швидкість передачі тепла (чим нижче = краща ізоляція). Вони є математично оберненими: U = 1/R. Приклад: ізоляція R-20 = U-0.05. Використовуйте R-значення для ізоляційних продуктів, U-значення для вікон та розрахунків цілих конструкцій.

Так, але з ефектом спадної віддачі. Перехід від R-0 до R-19 зменшує втрати тепла на 95%. Від R-19 до R-38 — ще на 50%. Від R-38 до R-57 — лише на 33%. Спочатку герметизуйте (більший вплив, ніж ізоляція). Потім додайте ізоляцію там, де R-значення найнижче (зазвичай на горищі). Перевірте, чи не стиснута або мокра ізоляція—заміна краща, ніж додавання.

Це умовність та складність. Вікна мають кілька механізмів теплопередачі (провідність через скло, випромінювання, конвекція в повітряних прошарках), що робить U-значення більш практичним для загальної оцінки ефективності. Стіни простіші—переважно провідність—тому R-значення є інтуїтивно зрозумілим. Обидві метрики працюють для будь-якого компонента; це просто галузева перевага.

Безумовно! R-значення чинить опір тепловому потоку в обох напрямках. Влітку ізоляція горища R-30 утримує тепло ЗОВНІ так само ефективно, як вона утримує тепло ВСЕРЕДИНІ взимку. Спекотний клімат виграє від високого R-значення + радіаційних бар'єрів + світлих дахів. Зосередьтеся на горищі (мінімум R-38) та стінах, що виходять на захід.

Спочатку герметизація, потім ізоляція. Витоки повітря можуть повністю обійти ізоляцію, зменшуючи ефективне R-30 до R-10. Дослідження показують, що герметизація забезпечує у 2-3 рази вищу рентабельність інвестицій, ніж сама ізоляція. Спочатку герметизуйте (герметик, ущільнювачі, піна), потім ізолюйте. Разом вони зменшують споживання енергії на 30-50%.

Поділіть 1 на R-значення: U = 1/R. Приклад: стіна R-20 = 1/20 = U-0.05 або 0.28 Вт/(м²·К). Навпаки: R = 1/U. Приклад: вікно U-0.30 = 1/0.30 = R-3.3. Примітка: одиниці мають значення! R-значення США потребують коефіцієнтів перетворення для U-значень SI (помножте на 5.678, щоб отримати Вт/(м²·К)).

Сталь у 1250 разів краще проводить тепло, ніж ізоляція. Металеві стійки створюють теплові містки—прямі шляхи для провідності через стінову конструкцію. Стіна з ізоляцією порожнин R-19 та сталевими стійками досягає лише ефективного R-7 (зменшення на 64%!). Рішення: суцільна ізоляція (пінопластові плити) поверх стійок або дерев'яний каркас + зовнішня піна.

Залежить від кліматичної зони (1-8) та будівельного компонента. Приклад: Зона 5 (Чикаго) вимагає стіни R-20, стелю R-49, підвал R-10. Зона 3 (Атланта) вимагає стіни R-13, стелю R-30. Перевірте місцеві будівельні норми або таблиці IECC. Багато юрисдикцій тепер вимагають стіни R-20+ та горища R-40+ навіть у помірному кліматі.