Гордон Х. Харт, ЧП, инженер-консультант ООО «Артек Инжиниринг». Он имеет более чем 35-летний опыт работы в сфере теплоизоляции. Он является активным членом комитетов ASTM, включая комитеты C16 по теплоизоляции и F25 по морским технологиям, технический комитет ASHRAE по изоляции механических систем и комитет по технической информации Национальной ассоциации производителей изоляции. Он получил степень BSE в Принстонском университете. и его степень MSE Университета Пердью в области машиностроения. Он является зарегистрированным профессиональным инженером. С ним можно связаться по адресу gordon.hart®@artekengineering.com.
В большинстве случаев основной характеристикой теплоизоляционного материала является его способность уменьшать теплообмен между поверхностью и окружающей средой или между одной поверхностью и другой поверхностью. Это известно как низкое значение теплопроводности. Как правило, чем ниже теплопроводность материала, тем выше его способность изолировать при заданной толщине материала и наборе условий.
Если это действительно так просто, то почему существует так много разных терминов, таких как K-значение, U-значение, R-значение и C-значение? Вот обзор с относительно простыми определениями.
К-значение
K-значение — это просто сокращение от теплопроводности. Стандарт ASTM C168 по терминологии определяет этот термин следующим образом:
Теплопроводность, n: скорость установившегося теплового потока через единицу площади однородного материала, вызванного единичным градиентом температуры в направлении, перпендикулярном этой единице площади.
Это определение на самом деле не такое сложное. Давайте рассмотрим внимательнее, фраза за фразой.
Скорость потока тепла можно сравнить со скоростью потока воды, например, воды, протекающей через насадку для душа со скоростью столько-то галлонов в минуту. Это количество энергии, обычно измеряемое в Соединенных Штатах в БТЕ, протекающее по поверхности за определенный период времени, обычно измеряемый в часах. Следовательно, временная скорость теплового потока выражается в единицах БТЕ в час.
Устойчивое состояние просто означает, что условия устойчивы, как вода, вытекающая из насадки для душа с постоянной скоростью.
Однородный материал просто относится к одному материалу, а не к двум или трем, который имеет постоянный состав. Другими словами, имеется только один тип изоляции, в отличие от одного слоя одного типа и второго слоя второго типа. Кроме того, для целей данного обсуждения через изоляцию не проходят приварные шпильки или винты или какой-либо конструкционный металл; и пробелов нет.
Как насчет через единицу площади? Это относится к стандартной площади поперечного сечения. Для теплового потока в Соединенных Штатах в качестве единицы площади обычно используется квадратный фут. Итак, у нас есть единицы измерения в британских тепловых единицах в час на квадратный фут площади (для визуализации представьте, что вода течет со скоростью несколько галлонов в минуту, ударяясь о доску размером 1 фут x 1 фут).
Наконец, есть фраза А. единичный температурный градиент. Если два предмета имеют одинаковую температуру и соприкасаются друг с другом, то тепло не будет течь от одного к другому, потому что они имеют одинаковую температуру. Чтобы тепло перетекало от одного объекта к другому, где оба соприкасаются, должна быть разница температур или градиент. Как только появится температурный градиент между двумя соприкасающимися предметами начнет течь тепло. Если между этими двумя объектами есть теплоизоляция, тепло будет течь с меньшей скоростью.
На данный момент у нас есть скорость теплового потока на единицу площади, на градус разницы температур с единицами БТЕ в час, на квадратный фут, на градус Фаренгейта.
Теплопроводность не зависит от толщины материала. Теоретически каждый слой изоляции такой же, как и соседний слой. Ломтики должны быть стандартной толщины. В Соединенных Штатах для обозначения толщины теплоизоляции обычно используются дюймы. Таким образом, мы должны думать с точки зрения БТЕ теплового потока на дюйм толщины материала в час, на квадратный фут площади, на градус по Фаренгейту разницы температур.
После разбора определения ASTM C168 для теплопроводность, у нас есть единицы БТЕ-дюйм/час на квадратный фут на градус Фаренгейта. Это то же самое, что и термин К-значение.
C-значение
C-значение это просто сокращение от теплопроводности. Для типа теплоизоляции значение C зависит от толщины материала; K-значение обычно не зависит от толщины (есть несколько исключений, не рассматриваемых в этой статье). Как ASTM C168 определяет теплопроводность?
Проводимость, тепловая, n: скорость стационарного теплового потока через единицу площади материала или конструкции, вызванная единичной разностью температур между поверхностями тела.
Затем ASTM C168 дает простое уравнение и единицы измерения. В единицах дюйм-фунт, используемых в Соединенных Штатах, эти единицы представляют собой БТЕ/час на квадратный фут на градус по Фаренгейту разницы температур.
Слова очень похожи на слова в определении для теплопроводность. Чего не хватает, так это дюймовых единиц в числителе, потому что значение C для изоляционной плиты толщиной 2 дюйма вдвое меньше, чем для того же материала изоляционной плиты толщиной 1 дюйм. Чем толще изоляция, тем ниже ее C-value.
Уравнение 1: значение C = значение K / толщина
R-значение
Как правило, этот термин используется для описания маркированного рейтинга эффективности строительной изоляции, которую можно купить на складе пиломатериалов. Он используется реже для механической изоляции, но все же это полезный термин для понимания. Его официальное обозначение — термическое сопротивление. Вот как это определяет ASTM C168:
Сопротивление, тепловое, n: величина, определяемая разностью температур в установившемся режиме между двумя определенными поверхностями материала или конструкции, которая создает единичный тепловой поток через единицу площади.
Затем ASTM C168 дает уравнение, за которым следуют типичные единицы измерения. В единицах дюйм-фунт тепловое сопротивление измеряется в градусах F, умноженных на квадратные футы площади, умноженные на часы времени на БТЕ теплового потока.
Большинство людей знают, что для данного изоляционного материала, чем он толще, тем выше значение R. Например, для определенного типа изоляционной плиты плита толщиной 2 дюйма будет иметь вдвое большее значение R, чем плита толщиной 1 дюйм.
Если значение C равно 0.5, то значение R равно 2.0. Его можно рассчитать из уравнения для значения C в уравнении 1 выше:
Уравнение 3: значение R = толщина / значение K
Таким образом, если толщина равна 1 дюйму, а значение K равно 0.25, то значение R равно 1, деленному на 0.25, или 4 (для краткости опускаем единицы измерения).
U-значение
Наконец, есть значение U, официально известное как коэффициент теплопередачи. Это скорее инженерный термин, используемый для обозначения тепловых характеристик системы, а не однородного материала. Определение ASTM C168 выглядит следующим образом:
Коэффициент пропускания, тепловой, n: теплопередача в единицу времени через единицу площади материальной конструкции и граничных воздушных пленок, вызванная единичной разницей температур между средами с каждой стороны.
Есть несколько новых терминов: граничные воздушные пленки и между средами с каждой стороны. Предыдущие определения не относились к средам.
Лучший способ проиллюстрировать коэффициент теплопередачи или U-значение через пример. Рассмотрим стену типичного утепленного дома с номинальным размером досок 2 x 4 (фактические размеры которых составляют примерно 1-1/2 дюйма x 3-1/2 дюйма), расположенными на расстоянии 16 дюймов от центра, идущими вертикально. Можно увидеть гипсокартонную плиту толщиной 3/8 дюйма на внутренней стороне стены с пароизоляцией из пластиковой пленки, отделяющей гипсокартонную плиту от деревянных стоек. Войлок из стекловолокна может заполнять пространство шириной 3-1/2 дюйма между шипами 2 x 4. На внешней стороне стоек могут быть изоляционные плиты из полистирола толщиной 1/2 дюйма, покрытые внешней деревянной обшивкой. В этом примере не учитываются двери и окна, а также значение K и толщина пластикового листа, используемого в качестве пароизоляции.
Расчет коэффициента теплопередачи стены достаточно сложен, чтобы выйти за рамки этой статьи, но для расчета коэффициента теплопередачи должны быть известны или, по крайней мере, оценены следующие значения: *
- C-значение воздушной пленки в помещении
- K-значение 3/8-дюймовой гипсовой стеновой панели
- K-значение деревянных шпилек шириной 3-1/2 дюйма
- Расстояние между стойками (в данном случае 16 дюймов)
- K-значение изоляционных плит из стекловолокна, а также их толщина (толщиной 3-1/2 дюйма)
- Ширина войлока из стекловолокна (16 дюймов минус 1-1/2 дюйма толщины деревянных стоек = 14-1/2 дюйма)
- K-значение пенополистирольных плит и их толщина (1/2 дюйма)
- K-значение и толщина материалов деревянного сайдинга
- C-значение пленки наружного воздуха
Чем ниже значение U, тем ниже скорость теплового потока для данного набора условий. Хорошо изолированная система стен здания будет иметь гораздо более низкое значение коэффициента теплопередачи или теплопередачи, чем неизолированная или плохо изолированная система.
Для точного определения коэффициента теплопередачи системы механической изоляции необходимо учитывать теплопередачу через однородную изоляцию, а также через любые бреши и компенсационные зазоры с другим изоляционным материалом. Существует также наружная воздушная пленка и иногда внутренняя воздушная пленка.
В действительности многие неоднородные части обычно не учитываются. Стандартные процедуры испытаний на теплопроводность обычно рассматривают материал как однородный. В реальных условиях в жестких материалах возникают стыки, а иногда и трещины. Эти несоответствия делают значение U больше, чем если бы изоляция вела себя как однородный материал.
Понятия K-значения, C-значения, R-значения и U-значения можно обобщить в следующих правилах:
- Чем лучше изолирована система, тем ниже ее коэффициент теплопередачи.
- Чем выше производительность куска изоляции, тем выше его R-значение и ниже его C-значение.
- Чем ниже значение K конкретного изоляционного материала, тем выше его теплоизоляционная способность при определенной толщине и заданном наборе условий.
Это свойства, от которых зависят пользователи теплоизоляции в вопросах энергосбережения, управления технологическими процессами, защиты персонала и контроля образования конденсата.
* Значения для всего вышеперечисленного можно найти в Справочнике ASHRAE по основам, глава 25: «Данные о передаче тепла и водяного пара». В главах с 23 по 26 того же руководства ASHRAE также обсуждается расчет U-значения стены.
Сравнение нескольких изоляционных материалов
Связь между значением R и значением K
Теплопередача через ограждающие конструкции на самом деле зависит от коэффициента теплопередачи стены или крыши, а не только от коэффициента сопротивления теплоизоляции.
Этот рисунок, таблица № 26 из Национальных стандартов коммерческой и промышленной изоляции Среднезападной ассоциации подрядчиков по изоляции (MICA) (1999 г.), дает представление о том, почему система изоляции не будет работать так хорошо, как можно было бы предположить, используя непрерывную однородную изоляцию.
Руководство по коммерческой кровельной изоляции
Одним из наиболее важных факторов при выборе оптимальной изоляции плоской или малоуклонной коммерческой крыши является проектирование с учетом желаемой тепловой эффективности. R-значение — это показатель для количественной оценки изоляционных свойств строительного материала. Самое высокое значение R на дюйм является лучшим, и это помогает определить толщину изоляции плоской крыши в соответствии со строительными нормами. Понимание относительных значений R поможет ранжировать сравнение различных материалов.
Давайте посмотрим, как наиболее распространенные типы изоляции плоских крыш ранжируются в соответствии с R-значением.
1. Изоляция крыши из фенольной пены R = до 7.5 по данным различных производителей.
Фенольная пена имеет высокие зарегистрированные начальные значения R-значения до 7.5 на дюйм, но этот продукт не производился широко в США с начала 90-х годов из-за судебных разбирательств, касающихся коррозионной активности и выщелачивающего кислотного воздействия на металлические настилы или металлические крепления при определенных условиях. . На некоторых кровельных конструкциях, особенно на палубах из легкого бетона, эта изоляция все еще может быть установлена.
В настоящее время европейский производитель продает новый состав для ограниченного использования строительных материалов в США и Канаде. Разработчики могут решить, перевешивают ли преимущества изоляции с высоким значением R другие потенциальные проблемы.
2. Полиуретановая изоляция крыши R = 7.2
Полиуретан в напыляемой пене является выбором с высоким значением R для изоляции плоских крыш. Центр полиуретановой промышленности Американского химического совета сообщает о значениях R до 7.2 на дюйм. Для коммерческой плоской кровли обычно используется однокомпонентный или двухкомпонентный напыляемый пенополиуретан, а также изолированные металлические панели для ограждающих конструкций. Холодильные склады с морозильными камерами или охладителями часто используют металлические панели с полиуретановой изоляцией.
У полиуретана есть несколько преимуществ: структурные характеристики, стабильность размеров и влагостойкость. Основным преимуществом напыляемого пенополиуретана (SPF) является то, что он может приспосабливаться к неровным поверхностям на самых разных основаниях. Обычно существует долговременная стабильность значения R, а также высокая огнестойкость. Полиуретан имеет более узкий диапазон ограничений по температуре и влажности при применении в некоторых климатических условиях.
3. Кровельная изоляция из полиизоцианурата R = 6.8*
Полиизоцианурат (полиизо) представляет собой пену с закрытыми порами, связанную с различными поверхностями, такими как стекло или фольга. Вспенивающие агенты, используемые для производства продукта, со временем эволюционировали, чтобы соответствовать экологическим целям. Многие производители сертифицируют свои пенообразователи, соответствующие требованиям Агентства по охране окружающей среды США, как не содержащие хлорфторуглеродов или гидрохлорфторуглеродов, чтобы соответствовать стандартам изоляции крыш с нулевым потенциалом истощения озонового слоя (ODP).
Полиизо-индустрия установила стандарт под названием «LTTR» — Долгосрочное тепловое сопротивление, — который указывает, как полиизо будет изолировать с течением времени; по сути, это старое значение R.
Например, значение R для полиизоциануратной панели с фольгированным покрытием, изготовленной из пентана, колеблется от начального значения R 6.8 на дюйм до 5.7 на дюйм по прогнозам с течением времени. Изоляция крыши из полиизоциануратной пены является одним из лучших кровельных изоляционных материалов и одним из лучших вариантов для очень высокой тепловой эффективности. Polyiso доступен для систем изоляции плоских крыш, а также может поставляться в виде конической изоляционной плиты для плоских крыш.
Проектировщики, стремящиеся пройти сертификацию по системам рейтинга экологически чистых зданий, таким как LEED®v4, хотели бы рассмотреть вопрос о добавлении изоляции к плоской крыше, такой как изоляция крыши из негалогенированного полиизоцианурата. Эти составы не содержат огнезащитных химикатов, которые могут неблагоприятно воздействовать на окружающую среду.
Polyiso является единственным пенопластовым изоляционным продуктом для непосредственного нанесения на стальные настилы, получившим одобрение FM для кровельных систем класса 1. Он также классифицируется UL для изоляции непосредственно на стальном настиле как под однослойными, так и под битумными кровельными мембранами.
Кровельный утеплитель Polyiso также производится с высокой плотностью, что позволяет использовать его в качестве облицовочной плиты. Покрывающие доски защищают крышу в сборе от движения по крыше, механических повреждений и града. Эти доски для покрытия крыши эластичны и легки.
Ассоциация производителей полиизоциануратной изоляции (PIMA) проводит выдающуюся работу по исследованию последних тенденций в области полиизоциануратных достижений и оказывает большую поддержку индустрии изоляции.
*Исходное значение, а не значение LTTR с выдержкой, для эффективного сравнения с другими продуктами
4. Изоляция крыши из экструдированного полистирола высокой плотности (XPS) R = 5
Экструдированный полистирол (XPS) со значением R примерно 5 на дюйм создается с использованием процесса экструзии для производства жесткой пенопластовой изоляции с закрытыми порами с полистирольным полимером. Многие производители добавляют в рецептуру краситель для придания уникальной окраски, обычно розовой, зеленой или синей, чтобы отличить марку продукта.
Большая часть XPS используется для настенных и подземных применений. Для коммерческой кровли он чаще всего используется для систем перевернутой мембранной крыши (IRMA) или защищенной мембранной крыши (PMR). Экструдированный полистирол обычно занимает среднее место по стоимости и R-значению с точки зрения оценки затрат / выгод для плоских кровельных материалов.
Он уязвим для клеев на основе растворителей и горячего асфальта, а его использование в системах PMR, требующих балласта, может сделать структурный вес сборки проблемой.
5. Изоляция крыши из пенополистирола высокой плотности (EPS) R = 4.6.
Пенополистирол (EPS) изготавливается из тех же базовых полистирольных смол, что и XPS, но производственный процесс отличается, в результате чего формируются и нарезаются шарики разного размера и формы или формуются. Продукты с высокой плотностью имеют приблизительное значение R 4.6 в качестве относительного сравнения.
Подрядчикам нравится устанавливать пенополистирол, поскольку его легко резать в соответствии с условиями на месте, а также он легкий. Теоретически он имеет более стабильное значение теплопроводности с течением времени, поскольку в нем нет химических пенообразователей, которые могут выделять газы. В настоящее время нет исследований, которые могли бы подтвердить этот атрибут.
Однако EPS имеет ряд недостатков. Он горюч, поглощает воду, может сжиматься и деформироваться при воздействии высоких температур и не совместим с продуктами на нефтяной основе, такими как растворители, покрытия и клеи. Кроме того, ходьба по крыше может повредить материал.
6. Войлок и панели из стекловолокна и минерального волокна R = зависит от производителя.
Коммерческая кровельная промышленность постепенно отказалась от жестких стекловолоконных панелей размером два на четыре, поскольку однослойные кровельные системы стали занимать большую долю рынка. Мягкое под ногами стекловолокно не рекомендуется для систем EPDM, PVC или TPO. Традиционно листы стекловолокна использовались в качестве подложки для горячих кровельных систем, и они имели ряд преимуществ: они обеспечивали высокую огнестойкость и гибкость, были химически инертны и устойчивы к образованию плесени.
Было несколько поставщиков, специализирующихся на рыночных коммерческих кровельных системах, с необходимыми ресурсами для поддержки различных испытаний кода в современных сборках. В настоящее время рулоны стекловолокна можно приобрести для специализированных целей, таких как изоляция металлических зданий. Кроме того, для определенных областей применения существуют варианты минеральной ваты, не содержащей формальдегида.
7. Перлитовая плита R = 2.7.
Считается «низкой теплоизоляцией» в производственном процессе, обычно сочетается со связующими и армирующими целлюлозными волокнами. Перлит, производившийся с конца 1950-х годов, считался новаторским экологически чистым продуктом для изоляции плоских крыш из-за высокого содержания в нем переработанных бумажных отходов, которые часто производятся из использованных телефонных книг. Он экономичен и имеет стабильное значение R. Версии продукта с высокой плотностью могут быть установлены поверх широких канавок с пролетом металлического настила до 2 1/2 дюйма. В системах горячей кровли перлит используется в ряде композитных строительных плит, включая OSB и гипс.
Перлитовые плиты могут гнить во влажном состоянии и нуждаются в обработке поверхности или покрытии, чтобы предотвратить чрезмерное впитывание асфальта во время укладки. Опять же, с появлением однослойных кровельных систем и их растущими характеристиками этот продукт теряет популярность в качестве выбора для коммерческой кровли.
R-значение является лишь одним из многих критериев при выборе изоляции для плоских крыш для коммерческого применения. Утеплитель – это всего лишь один из компонентов всей кровельной конструкции. Другими определяющими факторами могут быть:
- Соответствие стандарту ASHRAE 90.1, Международному кодексу энергосбережения (IECC), Международному строительному кодексу (IBC), Международному кодексу экологического строительства (IgCC), стандартам канадских провинций и территорий.
- Требования UL или FM.
- Стандарт ASHRAE 189.
- S. Рейтинговая система LEED Совета по экологическому строительству.
Для получения дополнительной информации об утеплении крыш, пожалуйста, ознакомьтесь с нашим подробным руководством по полиизоляции.
