عایق چیست و مفاهیم اولیه آن

عایق به ماده ای گفته می شود که مانع از انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر می شود. گرما همیشه از میحط گرم به محیط سرد منتقل می شود، برای مثال در یک خانه در زمستان گرما از درون به بیرون منتقل می شود و در تابستان به عکس گرمای بیرون به درون خانه منتقل می شود. برای اینکه بطور کامل با عایق حرارتی آشنا شوید باید ابتدا مکانیزم های مختلف انتقال حرارت را بشناسید.
گرما به سه روش از یک محیط به محیط دیگر منتقل می شود:
1- رسانش
2- همرفت
3- تابش

مکانیزم انتقال حرارت از طریق رسانش

این روش انتقال حرارت در جامدات است و گرما مستقیما از یک جسم به جسم دیگر انتقال می یابد. در این روش انتقال حرارت، گرما از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل می شود. یک مثال برای این روش انتقال حرارت گرم شدن یک میله ی آهنی در اثر قرار گرفتن در شعله ی آتش است. مولکول های قسمتی که در تماس مستقیم با آتش هستند گرما را از آتش دریافت می کنند و از طریق انتقال حرارت رسانشی گرما از این مولکول ها به مولکول های مجاور آن انتقال می یابد و سر دیگر میله نیز گرم می شود.

مکانیزم انتقال حرارت از طریق همرفت

در این روش گرما از طریق یک سیال مانند هوا و یا مایع گرم از یک مکان به مکان دیگر منتقل می شود. زمانی که هوای اطراف یک جسم گرم (مانند بخاری و شوفاژ) گرم می شود، فاصله بین مولکول های هوا افزایش می یابد و دانسیته ی هوا کاهش، کاهش دانسیته باعث سبک تر شدن هوای گرم می شود، توده ی هوا گرم به بالا می رود و هوای سرد جای آن را می گیرد، به این مکانیزم انتقال حرارت، انتقال حرارت از طریق همرفت می گویند.
اگر توده ی سیال به وسیله ی یک جسم خارجی مانند فن جابجا شود به آن همرفت اجباری می گویند. هوای سردی که از زیر زمین، پارکینگ و یا اتاق زیر شیروانی در زمستان وارد خانه می شود و جایگزین هوای گرم می شود، از طریق همین مکانیزم انتقال حرارت صورت می گیرد.

مکانیزم انتقال حرارت از طریق تابش

سومین مکانیزم انتقال حرارت تابش است، در این روش انتقال حرارت نیاز به محیط مادی نیست و گرما از طریق امواج منتقل می شود. نمونه ای از این روش انتقال حرارت گرمای خورشید است که از طریق امواج الکترومغناطیسی و بدون واسطه مادی به زمین منتقل می شود. این امواج توسط سطح جذب می شوند و باعث گرم شدن آن می شوند. در داخل خانه سطوح گرم می توانند از طریق تابش به یکدیگر گرما منتقل کنند.
در تابستان تابش نور خورشید به دیوارها و سقف ساختمان ها می تواند باعث گرم شدن آن ها شود و سپس این قسمت ها گرما را از طریق رسانش و همرفت به درون خانه منتقل می کنند. در نواحی گرمسیر این روند اهمیت بیشتری دارد. انتقال حرارت از طریق تابش مستقل از جریان هوا است و گرما به دلیل اختلاف دما بین اجسام سرد و گرم منتقل می شود. به شدت نشر و یا تابندگی مواد قابلیت انتشار انرژی تابشی آن ها گفته می شود. کلیه مواد دارای قابلیت انتشار بین صفر تا یک هستند. هر چقدر که این میزان کمتر باشد گرمای تابیده شده به سطح نیز کمتر است. فویل های آلومینیومی دارای قابلیت انتشار پایینی هستند به همین دلیل به عنوان عایق های انعکاسی استفاده می شود.

میزان انتقال حرارت از طریق همرفت و رسانش تابعی از سختی سطوح، جنبش هوا و اختلاف دما بین سطوح است. عایق ها به دلیل دانسیته کمی که دارند برای جلوگیری از انتقال حرارت از طریق همرفت و رسانش طراحی شده اند. عایق های می توانند مولکول های هوا را درون خودشان حبس کنند و از انتقال حرارت از طریق همرفت جلوگیری کنند، شانس انتقال حرارت از طریق کاهش حرکت مولکول های هوا کاهش می یابد. عایق های فومی نیز بر همین اساس طراحی شده اند فقط در آن ها به جای وجود هوای محبوس شده، گاز وجود دارد.

مقاومت یک دیوار در برابر انتقال حرارت می تواند به عناصر سازنده آن مربوط باشد که این عناصر عبارتند از:
1- لایه های سطوح بیرونی: بر روی سطح بیرونی یک لایه نازک از هوا شکل میگیرد که در برابر جریان گرما مقاومت می کند. این لایه با توجه به سرعت وزش باد و سختی سطح متفاوت است.
2- لایه های مواد سازنده ی دیوار: هر لایه از دیوار با توجه به چگالیش در برابر گردش هوای گرم مقاومت می کنند. یک لایه با عایق حرارتی مناسب بطور معمول چندین برابر مقاومتر از ترکیب لایه های مصالح دیگر است.
3- حجم هوا: حجم هوا و ضخامت آن به مقاومت کلی در برابر انتقال حرارت کمک می کند. سطوح فویل شده با قابلیت انتشار پایین که محدوده ی حجمی هوا را شکل می دهند می توانند میزان انتقال حرارت تابشی را در یک محیط کاهش دهند (به شرطی که حجم هوایی حداقل 3/4 تا 1 اینچ داشته باشند)
4- لایه داخلی: سطح داخلی ساختمان نیز می تواند لایه نازکی از هوا را محصور کند و از این طریق انتقال حرارت از طریق همرفت را کاهش دهد. معمولا ضخامت این لایه از هوا به خاطر سرعت کمتر هوا نسبت به لایه ای که بر روی سطح بیرون ساختمان شکل می گیرد، بیشتر است.  

اندازه گیری میزان گرمایی که از طریق دیوارها، کف و سقف ساختمان ها منتقل می شوند از طریق تحلیل های ریاضی امکان پذیر است. بدین منظور در ابتدا باید فاکتور U و فاکتور R را بشناسید. ذکر این نکته نیز مهم است که دلیل انتقال حرارت، اختلاف دمای بین دو سطح می باشد.

فاکتور U

فاکتور U معمولا به عنوان ضریب کلی رسانایی حرارت بیان می شود و این مقدار بیان کننده ی انتقال گرما به دلیل وجود مانع است. مثلا این میزان مشخص می کند که در یک ساختمان و در فصل زمستان، گرما با چه ضریبی از محیط داخل به بیرون منتقل می شود.
در سیستم اندازه گیری اینچ-پوند، فاکتور U مقدار واحد انرژی حرارتی بر حسب Btu که در یک ساعت از یک فوت مربع از ماده ای که دارای یک درجه فارنهایت اختلاف دما است عبور می کند (Btu/ft2.H.F). در سیستم اندازی گیری متری فاکتور U مقدار حرارت بر حسب وات است که از یک متر مربع از ماده به دلیل اختلاف دمای یک درجه سانتیگراد عبور می کند (W/m2.C). از آنجایی که این عامل بیان کننده میزان انتقال حرارت است، هر چقدر که کمتر باشد نشان می دهد که میزان انتقال حرارت از داخل خانه به خارج کمتر است.
فاکتور U یک واحد برای بیان نمودن میزان رسانایی گرما است و در صنعت ساختمان سازی استفاده می شود. مصالح دیگر ساختمانی مانند عایق های حرارتی با فاکتور R سنجیده می شوند.

فاکتور R

فاکتور R میزان مقاومت در برابر جریان گرما است و رایج ترین فاکتور اندازه گیری عملکرد حرارتی عایق ها می باشد. از آنجایی که این فاکتور میزان مقاومت عایق را نسبت به انتقال حرارت بیان می کند هر چقدر که این عامل بیشتر باشد، عایق حرارتی راندمان بهتری دارد. فاکتور R برای ضخامت 1 اینچ عایق حرارتی بیان می شود و این فاکتور معمولا برای میانگین دمایی 23 درجه سانتیگراد (طبق قوانین FTC) گزارش می شود. فاکتور R برای هر اینچ از یک نوع ماده معمولا مساوی نمی باشد و بسته به عوامل گوناگونی مانند دما، چگالی وضخامت عایق تغییر می کند.
در بعضی از مواقع این تغییر فاکتور R می تواند چشم گیر باشد برای مثال در زمستان دمای بیرون از خانه حدود 17- درجه است و هوای درون 21 درجه سانتیگراد می باشد که میانگین این دو دما 2 درجه سانتیگراد می شود در حالی که در زمستان میانگین دما بین 32 تا 42 درجه سانتیگراد قرارد دارد، این تغییر در میانگین دما می تواند باعث تغییر حدود 27 درصدی فاکتور R شود.
معمولا فاکتور R بصورت خطی تغییر می کند، برای عایق با ضخامت 2 اینچ فاکتور R دو برابر همان عایق با ضخامت 1 اینچ است.
در بعضی از عایق های خاص با تغییر چگالی، فاکتور R بطور قابل توجهی تغییر می کند. برای عایق های الیافی که چگالی تحت کنترل پیمان کار است، این اثر بسیار مهم است. برای مثال برای عایق های فایبر گلاس با افزایش چگالی میزان فاکتور R افزایش می یابد در حالی که برای عایق های سلولزی فاکتور R با افزایش چگالی کاهش می یابد. علت این امر این است که فاکتور R این نوع عایق ها وابستگی زیادی به میزان هوای محبوس در آن ها به عنوان یک مقاوم در برابر انتقال حرارت دارد و با فشرده شدن عایق حجم هوای بین آن ها کاهش می یابد و این باعث کاهش فاکتور R می شود.

همان طور که بیان شد فاكتور U به عنوان واحد اندازه گیری صنعت ساختمان جهت كاهش یا افزایش گرما از طریق رسانش می‌باشد. در مورد دیگر مواد ساختمانی مثل عایق، سقف، و كف پوش ها بیشتر از عامل R جهت كنترل، رسانش گرما استفاده می‌شود. رابطه ساده ای بین دو فاكتور R و U موجود است بدین ترتیب كه U=1/R R=1/U