Tốc độ dòng nhiệt qua một vật liệu hoặc một hệ thống lắp ráp

U-value đo lường lượng nhiệt đi qua một bộ phận của tòa nhà trên một đơn vị diện tích, cho mỗi độ chênh lệch nhiệt độ. Được đo bằng W/(m²·K) hoặc BTU/(h·ft²·°F). U-value càng thấp = cách nhiệt càng tốt. Cửa sổ, tường và mái nhà đều có xếp hạng U-value.

Ví dụ: Cửa sổ có U=0.30 W/(m²·K) mất 30 watt trên mỗi mét vuông cho mỗi 1°C chênh lệch nhiệt độ. U=0.20 có khả năng cách nhiệt tốt hơn 33%.

Khả năng của vật liệu chống lại dòng nhiệt

R-value là nghịch đảo của U-value (R = 1/U). R-value càng cao = cách nhiệt càng tốt. Được đo bằng m²·K/W (SI) hoặc ft²·°F·h/BTU (Mỹ). Các quy chuẩn xây dựng quy định R-value tối thiểu cho tường, trần và sàn nhà dựa trên các vùng khí hậu.

Ví dụ: Tấm sợi thủy tinh R-19 cung cấp khả năng chống nhiệt 19 ft²·°F·h/BTU. R-38 trên gác mái có hiệu quả gấp đôi R-19.

Tính chất vật liệu: khả năng dẫn nhiệt tốt đến đâu

Độ dẫn nhiệt (λ hoặc k) là một tính chất nội tại của vật liệu được đo bằng W/(m·K). k-value thấp = vật liệu cách nhiệt tốt (xốp, sợi thủy tinh). k-value cao = vật liệu dẫn nhiệt tốt (đồng, nhôm). Được sử dụng để tính R-value: R = độ dày / k.

Ví dụ: Sợi thủy tinh k=0.04 W/(m·K), thép k=50 W/(m·K). Thép dẫn nhiệt nhanh hơn sợi thủy tinh 1250 lần!

Số càng cao = cách nhiệt càng tốt

R-value rất trực quan: R-30 tốt hơn R-15. Được sử dụng ở Bắc Mỹ cho các sản phẩm cách nhiệt. Các giá trị được cộng nối tiếp: các lớp xếp chồng lên nhau. Phổ biến trong xây dựng nhà ở, quy chuẩn xây dựng và nhãn mác sản phẩm.

• Đơn vị: ft²·°F·h/BTU (Mỹ) hoặc m²·K/W (SI)
• Phạm vi: R-3 (cửa sổ một lớp kính) đến R-60 (cách nhiệt gác mái)
• Ví dụ về tường: khoang R-13 + xốp R-5 = tổng R-18
• Quy tắc ngón tay cái: R-value mỗi inch thay đổi theo vật liệu (R-3.5/inch cho sợi thủy tinh)
• Mục tiêu điển hình: tường R-13 đến R-21, trần R-38 đến R-60
• Tiếp thị: Sản phẩm được quảng cáo theo R-value ('tấm cách nhiệt R-19')

Số càng thấp = cách nhiệt càng tốt

U-value không trực quan: U-0.20 tốt hơn U-0.40. Được sử dụng trên toàn cầu, đặc biệt cho cửa sổ và các tính toán toàn bộ tòa nhà. Không cộng đơn giản—yêu cầu tính toán nghịch đảo. Phổ biến trong xây dựng thương mại và các quy chuẩn năng lượng.

• Đơn vị: W/(m²·K) hoặc BTU/(h·ft²·°F)
• Phạm vi: U-0.10 (cửa sổ ba lớp kính) đến U-5.0 (cửa sổ một lớp kính)
• Ví dụ về cửa sổ: U-0.30 là hiệu suất cao, U-0.20 là nhà thụ động
• Tính toán: Mất nhiệt = U × Diện tích × ΔT
• Mục tiêu điển hình: cửa sổ U-0.30, tường U-0.20 (thương mại)
• Tiêu chuẩn: ASHRAE, IECC sử dụng U-value để mô hình hóa năng lượng

Dòng nhiệt qua các vật liệu rắn

Nhiệt truyền qua tiếp xúc trực tiếp giữa các phân tử. Kim loại dẫn nhiệt nhanh chóng, trong khi vật liệu cách nhiệt thì chống lại. Được điều chỉnh bởi Định luật Fourier: q = k·A·ΔT/d. Chiếm ưu thế trong tường, mái nhà, sàn nhà.

• Đinh tán kim loại tạo ra cầu nhiệt (tăng 25% tổn thất nhiệt)
• Tay cầm chảo nóng dẫn nhiệt từ bếp
• Nhiệt truyền qua tường từ bên trong ấm áp ra bên ngoài lạnh giá
• Cách nhiệt làm giảm sự truyền nhiệt do dẫn nhiệt

Truyền nhiệt qua sự chuyển động của chất lỏng/không khí

Nhiệt di chuyển cùng với dòng không khí hoặc chất lỏng. Đối lưu tự nhiên (không khí ấm bốc lên) và đối lưu cưỡng bức (quạt, gió). Rò rỉ không khí gây mất nhiệt lớn. Làm kín không khí ngăn chặn đối lưu; cách nhiệt ngăn chặn dẫn nhiệt.

• Gió lùa qua các khe hở và vết nứt (xâm nhập/thẩm thấu)
• Không khí ấm thoát ra qua gác mái (hiệu ứng ống khói)
• Phân phối sưởi ấm/làm mát bằng không khí cưỡng bức
• Gió làm tăng tổn thất nhiệt qua tường

Truyền nhiệt qua sóng điện từ

Tất cả các vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt. Các vật thể nóng bức xạ nhiều hơn. Không cần tiếp xúc hoặc không khí. Rào cản bức xạ (lá phản quang) chặn hơn 90% nhiệt bức xạ. Là yếu tố chính ở gác mái và cửa sổ.

• Ánh sáng mặt trời làm nóng qua cửa sổ (thu nhiệt mặt trời)
• Rào cản bức xạ trên gác mái phản xạ nhiệt
• Lớp phủ Low-E trên cửa sổ làm giảm nhiệt bức xạ
• Nhiệt hồng ngoại từ mái nhà nóng bức xạ xuống sàn gác mái

Chủ nhà và nhà thầu sử dụng R-value và U-value hàng ngày:

• Lựa chọn vật liệu cách nhiệt: chi phí/lợi ích của tấm cách nhiệt tường R-19 so với R-21
• Thay thế cửa sổ: cửa sổ ba lớp kính U-0.30 so với cửa sổ hai lớp kính U-0.50
• Kiểm toán năng lượng: chụp ảnh nhiệt phát hiện các khoảng trống R-value
• Tuân thủ quy chuẩn: đáp ứng các yêu cầu R-value tối thiểu của địa phương
• Lập kế hoạch cải tạo: thêm R-30 vào gác mái R-19 (giảm 58% tổn thất nhiệt)
• Giảm giá từ công ty tiện ích: nhiều nơi yêu cầu tối thiểu R-38 để được hưởng ưu đãi

U-value quyết định tải nhiệt và tải lạnh:

• Tính toán tổn thất nhiệt: Q = U × A × ΔT (Manual J)
• Định cỡ thiết bị: cách nhiệt tốt hơn = cần đơn vị HVAC nhỏ hơn
• Mô hình hóa năng lượng: BEopt, EnergyPlus sử dụng U-value
• Cách nhiệt ống gió: tối thiểu R-6 ở những không gian không được điều hòa
• Phân tích hoàn vốn: tính toán ROI của việc nâng cấp cách nhiệt
• Sự thoải mái: U-value thấp hơn làm giảm hiệu ứng tường/cửa sổ lạnh

Các tòa nhà lớn yêu cầu tính toán nhiệt chính xác:

• Tuân thủ ASHRAE 90.1: bảng U-value quy định
• Chứng nhận LEED: vượt quy chuẩn 10-40%
• Hệ thống tường kính: các cụm lắp ráp có U-0.25 đến U-0.30
• Kho lạnh: tường R-30 đến R-40, trần R-50
• Phân tích chi phí năng lượng: tiết kiệm hơn 100 nghìn đô la hàng năm nhờ lớp vỏ tốt hơn
• Cầu nhiệt: phân tích các kết nối thép bằng FEA

Các tòa nhà siêu hiệu quả đẩy giới hạn hiệu suất nhiệt:

• Cửa sổ: U-0.14 đến U-0.18 (ba lớp kính, chứa đầy khí krypton)
• Tường: R-40 đến R-60 (hơn 12 inch xốp hoặc xenluloza đóng gói dày đặc)
• Móng: R-20 đến R-30 cách nhiệt liên tục bên ngoài
• Độ kín khí: 0.6 ACH50 hoặc thấp hơn (giảm 99% so với tiêu chuẩn)
• Máy thông gió thu hồi nhiệt: hiệu suất hơn 90%
• Tổng cộng: giảm 80-90% nhu cầu sưởi ấm/làm mát so với mức tối thiểu của quy chuẩn

• Làm kín không khí trước tiên: đầu tư 500 đô la, tiết kiệm 20% năng lượng (ROI tốt hơn cách nhiệt)
• Cách nhiệt gác mái: từ R-19 lên R-38 hoàn vốn trong 3-5 năm
• Thay thế cửa sổ: cửa sổ U-0.30 giảm 40% tổn thất nhiệt so với U-0.50
• Cách nhiệt tầng hầm: R-10 tiết kiệm 10-15% chi phí sưởi ấm
• Thay thế cửa: cửa thép cách nhiệt (U-0.15) so với cửa gỗ rỗng (U-0.50)

• Camera hồng ngoại: phát hiện thiếu cách nhiệt và rò rỉ không khí
• Thử nghiệm cửa thổi: định lượng rò rỉ không khí (chỉ số ACH50)
• Thử nghiệm bằng cách chạm: tường/trần lạnh cho thấy R-value thấp
• Đập băng: dấu hiệu của cách nhiệt gác mái không đủ (nhiệt làm tan tuyết)
• Ngưng tụ: cho thấy có cầu nhiệt hoặc rò rỉ không khí

• Khí hậu lạnh: tối đa hóa R-value, tối thiểu hóa U-value (ưu tiên cách nhiệt)
• Khí hậu nóng: rào cản bức xạ ở gác mái, cửa sổ Low-E chặn thu nhiệt mặt trời
• Khí hậu hỗn hợp: cân bằng giữa cách nhiệt với che nắng và thông gió
• Khí hậu ẩm: màng ngăn hơi ở phía ấm, ngăn chặn ngưng tụ
• Khí hậu khô: tập trung vào việc làm kín không khí (tác động lớn hơn các vùng ẩm ướt)

• ROI tốt nhất: Làm kín không khí (20:1), cách nhiệt gác mái (5:1), làm kín ống gió (4:1)
• ROI trung bình: Cách nhiệt tường (3:1), cách nhiệt tầng hầm (3:1)
• Dài hạn: Thay thế cửa sổ (2:1 trong 15-20 năm)
• Cân nhắc: các khoản giảm giá từ công ty tiện ích có thể cải thiện ROI 20-50%
• Hoàn vốn: Hoàn vốn đơn giản = chi phí / tiết kiệm hàng năm

Lều tuyết duy trì nhiệt độ 4-15°C bên trong khi bên ngoài là -40°C chỉ bằng tuyết nén (R-1 mỗi inch). Hình dạng mái vòm giảm thiểu diện tích bề mặt, và một đường hầm vào nhỏ chặn gió. Các túi khí của tuyết cung cấp khả năng cách nhiệt—bằng chứng cho thấy không khí bị giữ lại là bí mật của mọi loại vật liệu cách nhiệt.

Gạch cách nhiệt của Tàu Con thoi có độ dẫn nhiệt thấp đến mức (k=0.05) chúng có thể nóng đến 1100°C ở một mặt và có thể chạm được ở mặt kia. Được làm từ 90% silica chứa đầy không khí, chúng là vật liệu cách nhiệt tối ưu—R-50+ mỗi inch ở nhiệt độ cao.

Những ngôi nhà trước những năm 1940 thường không có cách nhiệt tường—chỉ có ván gỗ, đinh tán và thạch cao (tổng R-4). Thêm lớp cách nhiệt R-13 đến R-19 giúp giảm 70-80% tổn thất nhiệt. Nhiều ngôi nhà cũ mất nhiều nhiệt qua tường hơn là qua gác mái cách nhiệt kém.

Băng có k=2.2 W/(m·K), kính là k=1.0. Nhưng không khí (k=0.026) bị giữ lại trong các tinh thể băng làm cho tuyết/băng trở thành một chất cách nhiệt khá tốt. Nghịch lý là, tuyết ướt trên mái nhà lại cách nhiệt tốt hơn (R-1.5/inch) so với băng rắn (R-0.5/inch) do có các túi khí.

Tấm sợi thủy tinh được xếp hạng R-19 (5.5 inch) bị nén xuống còn 3.5 inch sẽ mất 45% R-value của nó (trở thành R-10). Các túi khí—chứ không phải các sợi—cung cấp khả năng cách nhiệt. Đừng bao giờ nén vật liệu cách nhiệt; nếu nó không vừa, hãy sử dụng vật liệu có mật độ cao hơn.

Aerogel là 99.8% không khí và giữ 15 Kỷ lục Guinness về cách nhiệt. Với R-10 mỗi inch (so với R-3.5 của sợi thủy tinh), nó là vật liệu cách nhiệt được NASA ưa chuộng. Nhưng chi phí (20-40 đô la/mét vuông) giới hạn nó trong các ứng dụng chuyên biệt như xe tự hành trên sao Hỏa và chăn cách nhiệt siêu mỏng.

R-value đo lường khả năng chống lại dòng nhiệt (càng cao = cách nhiệt càng tốt). U-value đo lường tốc độ truyền nhiệt (càng thấp = cách nhiệt càng tốt). Chúng là nghịch đảo toán học của nhau: U = 1/R. Ví dụ: cách nhiệt R-20 = U-0.05. Sử dụng R-value cho các sản phẩm cách nhiệt, U-value cho cửa sổ và các tính toán toàn bộ hệ thống.

Có, nhưng hiệu quả sẽ giảm dần. Đi từ R-0 đến R-19 cắt giảm 95% tổn thất nhiệt. Từ R-19 đến R-38 cắt giảm thêm 50%. Từ R-38 đến R-57 chỉ cắt giảm 33%. Đầu tiên, hãy làm kín không khí (tác động lớn hơn cách nhiệt). Sau đó, thêm lớp cách nhiệt ở nơi có R-value thấp nhất (thường là gác mái). Kiểm tra xem vật liệu cách nhiệt có bị nén hoặc ẩm ướt không—thay thế tốt hơn là thêm vào.

Do quy ước và sự phức tạp. Cửa sổ có nhiều cơ chế truyền nhiệt (dẫn nhiệt qua kính, bức xạ, đối lưu trong các khe hở không khí) làm cho U-value trở nên thực tế hơn để đánh giá hiệu suất tổng thể. Tường đơn giản hơn—chủ yếu là dẫn nhiệt—vì vậy R-value trực quan hơn. Cả hai chỉ số đều hoạt động cho cả hai; đó chỉ là sở thích của ngành.

Chắc chắn rồi! R-value chống lại dòng nhiệt theo cả hai hướng. Vào mùa hè, cách nhiệt gác mái R-30 giữ nhiệt BÊN NGOÀI hiệu quả như cách nó giữ nhiệt BÊN TRONG vào mùa đông. Khí hậu nóng được hưởng lợi từ R-value cao + rào cản bức xạ + mái nhà màu sáng. Tập trung vào gác mái (tối thiểu R-38) và các bức tường hướng Tây.

Làm kín không khí trước, sau đó mới cách nhiệt. Rò rỉ không khí có thể bỏ qua hoàn toàn lớp cách nhiệt, làm giảm R-30 xuống còn R-10 hiệu dụng. Các nghiên cứu cho thấy việc làm kín không khí mang lại ROI gấp 2-3 lần so với chỉ cách nhiệt. Hãy làm kín trước (keo, gioăng, xốp), sau đó cách nhiệt. Cùng nhau, chúng làm giảm 30-50% mức sử dụng năng lượng.

Chia 1 cho R-value: U = 1/R. Ví dụ: tường R-20 = 1/20 = U-0.05 hoặc 0.28 W/(m²·K). Ngược lại: R = 1/U. Ví dụ: cửa sổ U-0.30 = 1/0.30 = R-3.3. Lưu ý: đơn vị rất quan trọng! R-value của Mỹ cần các hệ số chuyển đổi cho U-value của hệ SI (nhân với 5.678 để có được W/(m²·K)).

Thép dẫn nhiệt gấp 1250 lần so với vật liệu cách nhiệt. Đinh tán kim loại tạo ra các cầu nhiệt—những đường dẫn nhiệt trực tiếp qua hệ thống tường. Một bức tường có lớp cách nhiệt khoang R-19 và đinh tán thép chỉ đạt được R-7 hiệu dụng (giảm 64%!). Giải pháp: cách nhiệt liên tục (tấm xốp) bên ngoài đinh tán, hoặc khung gỗ + xốp bên ngoài.

Phụ thuộc vào vùng khí hậu (1-8) và bộ phận của tòa nhà. Ví dụ: Vùng 5 (Chicago) yêu cầu tường R-20, trần R-49, tầng hầm R-10. Vùng 3 (Atlanta) yêu cầu tường R-13, trần R-30. Kiểm tra quy chuẩn xây dựng địa phương hoặc các bảng của IECC. Nhiều khu vực pháp lý hiện nay yêu cầu tường R-20+ và gác mái R-40+ ngay cả ở những vùng khí hậu ôn hòa.