Tường và cách nhiệt

Mô tả giải pháp

Việc am hiểu và tối ưu hóa truyền nhiệt qua các bức tường là điều rất quan trọng trong thiết kế công trình hiệu quả cao. Ứng dụng khối lượng nhiệt và cách nhiệt cho chiến lược thiết kế thụ động có thể giúp tiết kiệm năng lượng mà các hệ thống/thiết bị tại công trình cần sử dụng.

Cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt đóng vai trò ngăn cách hay hạn chế dòng nhiệt qua lớp vỏ công trình. Đối với hầu hết thiết kế công trình xanh, cách nhiệt vô cùng quan trọng bởi nó cho phép giữ nhiệt trong không gian trong khi tránh nhiệt thừa từ bên ngoài.

Để hiểu về cách nhiệt thì điều quan trọng là cần nắm rõ về dòng nhiệt năng. Thiết kế cách nhiệt chủ yếu nhằm ngăn truyền nhiệt qua dẫn nhiệt và bức xạ.

Giá trị R là đại lượng đặc trưng cho khả năng cách nhiệt đối với dẫn nhiệt (R càng cao khả năng kháng nhiệt càng lớn); độ phát xạ là đại lượng đặc trưng cho khả năng cách nhiệt đối với bức xạ (kháng nhiệt càng cao thì độ phát xạ càng thấp và độ phản xạ càng cao).

Dẫn nhiệt là yếu tố chi phối khi các vật liệu được tiếp xúc với nhau; khi có lớp đệm không khí giữa các vật liệu, bức xạ trở nên rất quan trọng. Thông thường cần để ý đến truyền nhiệt đối lưu khi có lỗ hở khí lớn.

 Các vật liệu cách nhiệt được chia làm hai loại:

(1) Vật liệu dạng sợi hoặc xốp có khả năng ngăn truyền nhiệt qua dẫn nhiệt. Vật liệu loại này có thể là vô cơ (như thủy tinh, bông đá, bông xỉ, đá trân châu hay chất khoáng) hoặc hữu cơ (như cotton, sợi tổng hợp, cork, cao su bọt, hay nhựa Polixetiren).

(2) Kim loại hoặc màng phản quang hữu cơ có khả năng ngăn truyền nhiệt bức xạ và hiệu quả khi tiếp xúc với không gian rỗng.

Giá trị R và cách nhiệt (tiếp xúc)

Bảng giá trị R dưới đây từ một số vật liệu xây dựng thông thường.

Vật liệu có độ dày 2.5cm                      m2•K/W                          ft2•°F•h/BTU

Tấm cách nhiệt chân không                5.28 – 8.8                        R-30 – R-50

Bọt phun PIR                                     0.76 – 1.46                       R-4.3 – R-8.3

Nhựa cứng PU                                   0.97 – 1.2                         R-5.5 – R-6.8

Bọt phun kín PU                                 0.97 – 1.14                       R-5.5 – R-6.5

XPS mật độ thấp                                0.63 – 0.82                       R-3.6 – R-4.7

EPS mật độ cao                                  0.65 – 0.7                        R-3.85 – R-4.2

Bê tông có phụ gia tạo bọt                 0.69                                 R-3.90

Bông thủy tinh                                  0.55 – 0.76                       R-3.1 – R-4.3

Tấm cotton                                       0.65                                  R-3.7

Bọt phun mở PU                               0.63                                  R-3.6

Tấm các tông                                    0.52 – 0.7                          R-3 – R-4

Len đá và xỉ                                      0.52 – 0.68                        R-3 – R-3.85

Xốp phun ẩm                                    0.52 – 0.67                        R-3 – R-3.8

Rơm ép                                            0.26                                  R-1.45

Gỗ mềm                                           0.25                                  R-1.41

Gỗ cứng                                           0.12                                  R-0.71

Gạch                                                0.03                                  R-0.2

Thủy tinh                                         0.025                                 R-0.14

Thủy tinh                                         0.014                                 R-0.08

Thép                                             5.3×10-4                              R-0.003

Giá trị R còn được tính bằng 1 / độ dẫn nhiệt (U), vì vậy dù tăng gấp đôi độ dày của vật liệu cách nhiệt thì khả năng cách nhiệt cũng không thể giảm được một nửa.

Thay vào đó có phân rã dạng hàm mũ của dòng nhiệt, tại đó là khác biệt đáng kể giữa không có cách nhiệt và cách nhiệt với độ dày 1 inch (hoặc một cm) có thể tiết kiệm được 80% tổn thất nhiệt, trong khi độ dày của vật liệu cách nhiệt tăng từ 1 đến 2 inch chỉ tiết kiệm được một thêm 9%, và từ 9 inches đến 10 inch chỉ tiết kiệm thêm 1%.

                   

                    Đường cong logarit ngược biểu diễn mối liên hệ giữa độ giảm truyền nhiệt và độ dày vật liệu cách nhiệt

Cách nhiệt sử dụng bề mặt có độ phát xạ thấp (bức xạ)

Trong nhiều trường hợp thì việc tránh truyền nhiệt bức xạ là vô cùng quan trọng – ví dụ như không gian gác mái hay nhà kho, nơi mặt trời nung nóng bề mặt lớp vỏ công trình với cường độ cao.

Trong những trường hợp này, một tấm mỏng làm bằng vật liệu có độ phản xạ cao sẽ có hiệu quả tương đương với tấm dày với nhiều lớp vật liệu cách nhiệt tiếp xúc khác nhau.

Nó được gọi là “rào cản bức xạ”.

                                  

Các rào cản bức xạ phải có độ bức xạ thấp (nhỏ hơn hoặc bằng 0,1) và khả năng phản xạ cao (lớn hơn hoặc bằng 0,9), do đó, chúng thông thường là các  vật liệu với bề mặt phản chiếu sáng bóng hoặc có màu trắng.

Chúng chỉ có tác dụng giảm truyền nhiệt bức xạ. Chính vì thế, cách nhiệt phản xạ chỉ được sử dụng hiệu quả cho bề mặt cách nhiệt tiếp xúc với ô hở hoặc không khí bên ngoài.

Đối lưu và cách nhiệt

Hiện tượng đối lưu của các dòng chất lỏng (hoặc khí) cũng đóng vai trò truyền nhiệt. Hiện tượng đối lưu không mong muốn qua lớp vỏ công trình có thể dẫn tới tăng nhiệt hoặc mất nhiệt ngoài mong muốn.

Đồng thời, việc giảm thiểu đối lưu của vật liệu trong lớp vỏ công trình thông thường cũng chính là điều giúp cho cách nhiệt trở nên hiệu quả.

Đối lưu diễn ra trong lớp vỏ công trình ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả cách nhiệt của nó. Không khí tĩnh có khả năng cách nhiệt vô cùng tốt, chính vì thế các kết cấu cách nhiệt tốt thường sử dụng các túi khí.

Lí do chính khiến cho vật liệu cách nhiệt dạng bọt có hiệu quả cách nhiệt cao hơn vật liệu cách nhiệt dạng sợi, tấm chính là việc bên trong nó ít diễn ra hiện tượng đối lưu hơn.

Sở dĩ Aerogel (vật liệu xốp tổng hợp siêu nhẹ với nguồn gốc từ một loại gel) là do nó được cấu thành chủ yếu bởi không khí và cấu trúc vi mô của Aerogel đồng thời ngăn cản đối lưu diễn ra bên trong nó.

Sản phẩm dạng sợi hoặc xốp ngăn cản hiện tượng đối lưu bằng cách giữ cho không khí ở trạng thái tĩnh.

Vật liệu cách nhiệt dạng tấm-sợi bẫy không khí trong các tấm thảm được làm từ vật liệu có độ dẫn nhiệt tiếp xúc thấp như thủy tinh hoặc sợi hữu cơ (lông cừu hoặc polyester)

Bọt phun mở bẫy không khí dưới dạng các bong bóng bao bọc bởi vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp.

Tuy nhiên, không khí vẫn có thể lưu thông từ bong bóng này tới bong bóng khác.

Bọt phun kín ngăn cản hiện tượng lưu thông không khí bên trong nó, do đó đây là cách tốt nhất để cách nhiệt đối lưu.