Principi toplotne izolacije: transfer toplote kondukcijom, konvekcijom i radijacijom

30 April 2007 - Komentari (4)

Izgradnja

Svako će se složiti da dobra toplotna izolacija kuće znači veću udobnost i manje troškove grejanja. Ipak, iza reči toplotna izolacija kriju se mnogi koncepti. U ovom prvom delu govorimo o fizici toplotne izolacije. U drugom članku, govorićemo o parametrima koji se koriste za merenje i usporedbu kvaliteta različitih rešenja toplotne izolacije.

Transfer toplote

Cilj toplotne izolacije je održavanje konstantne ugodne temperature u kući sprečavajući transfer toplote između unutrašnje i spoljne klime. U hladnim mesecima, toplotna izolacija će sprečiti bekstvo unutrašnje toplote vani. U toplim mesecima, usporiće prodor toplote u unutrašnjost kuće.

Toplotna izolacija je prema tome dizajnirana da kontroliše različite komponente prenosa toplote:

• Kondukciju kroz građevinski materijal
• Konvekciju preko kretanja vazduha
• Toplotnu radijaciju

Tri načina prenosa toplote: kondukcija, konvekcija i radijacija (izvor Williams College)

Kondukcija toplote

Kondukcija toplote je veoma intuitivan koncept: predstavlja spontani transfer toplote kroz materijal, u cilju izjednačavanja toplotnih razlika. Ovo objašnjava zašto imamo osećaj da je metalna klupa ili stolica na dodir hladna, dok je drvena na dodir topla. Metal je odličan toplotni konduktor i prenosi toplotu tela kroz svoju masu. Drvo, naprotiv, je veoma loš toplotni konduktor. Iz istog razloga, metalna kašika u ključaloj vodi postane brzo vruća, dok drvena ostaje hladna na drugom kraju.

Materijali koji se koriste za toplotnu izolaciju moraju imati nisku konduktivnost toplote da bi bili efikasni.

Konvekcija toplote

Konvekcija predstavlja prenos toplote cirkulacijom ili kretanjem toplih čestica prema hladnijem prostoru. Ovo je još jedan intuitivan koncept jer znamo da topao vazduh ili voda ide naviše. Okruženje, hladnije čestice se pomeraju u zamenu za tople. Hladne čestice se onda zagrevaju i proces se nastavlja stvarajući tako struju konvekcije.

Konvekcija toplote izazvana radijatorom i u vrućoj vodi (izvor Robert Thews, University of Arizona)

Primenjeno na toplotnu izolaciju jedne kuće, to znači da kuća mora biti čvrsto zatvorena (vazduhodržljiva, hermetična). Ovo je neophodno da bi se sprečilo bekstvo toplog vazduha vani i njegova zamena hladnim vazduhom spolja. Ovo nije lako postići u izgradnji kuće. I pošto se topli vazduh penje naviše, toplotna izolacija krova ili plafona je izuzetno važna da bi se sprečio gubitak toplote.

Toplotna radijacija

Toplotna radijacija predstavlja transfer toplote elektromegnetnim zračenjem. Sunce, ili električni radijator, su perfektni primeri radijacije toplote. Svetli, sjajni materijali, kao barijere radijacije, reflektuju zračenje dok tmurni, tamni materijali ga apsorbiju. Dobri izolatori nisu neophodno dobre prepreke zračenju i suprotno. Primer prepreke zračenju je svetli materijal koji stavite na prednje staklo auta da biste sprečili pregrevanje u letnjim danima.

Toplotna radijacija sunca je od posebnog značaja kada se govori o toplotnoj izolaciji. Za vreme hladnih meseci, sunčeva energija je posebno dobrodošla i kuće bi trebalo da su dizajnirane da je što više prihvate. U leto, naprotiv, treba sprečiti prodor radijacije sunca u kuću da bi se održala svežina unutra.

Krov i prozori imaju najveću važnost kod toplotne radijacije. Na krov je moguće postaviti prepreke radijaciji i/ili napraviti ventilisani krov koji omogućava toploti radijacije da se evakuiše putem konvekcije.

Što se tiče prozora, moguće je naći reflektivno staklo, koje uvećava prenos svetlosti reflektujući solarnu radijaciju. Druga vrsta stakla zvana E glass (low emissive) na engleskom, ima metalni ili oksidni nanos, koji umanjuje prenos toplote ili hladnoće kroz staklo dozvoljavajući, u isto vreme, svetlosti da prođe kroz njega. U svakom slučaju, najefikasniji način da se izbegne toplotno zračenje kroz prozore u letnjim danima je da se ti isti zaštite od direktnog izlaganja suncu. Ovo se može izvesti izgradnjom nastrešnica (vidi sliku dole), drvenim kapcima ili vegetacijom.

Nastrešica, za prozor okrenut prema jugu, daje zaštitu prozoru leti, kada je sunce visoko na nebu, dok dozvoljava prodor sunčevih zraka zimi, kada je sunce nisko na nebu.(izvor IdeesMaison.com)

Zaključak

Predstavili smo ovde osnovne koncepte koji stoje iza toplotne izolacije. Prvo koncept transfera toplote a onda njen prenos kondukcijom, konvekcijom i radijacijom. Cilj toplotne izolacije je da se suprostavi ovim transferima toplote korišćenjem materijala sa niskom toplotnom provodljivosti. U sledećem nastavku objasnićemo šta je to toplotna provodljivost i druge pojmove vezane za to.