تحقیق مقاله عایقکاری حرارتی (گرمابندی) ساختمان ها

کلیات

درجه حرارت فضای داخلی ساختمان از عوامل موثر در تأمین آسایش حرارتی است. از آنجا که درجه حرارت محیط خارج ساختمان در فصول مختلف سال و ساعات شبانه‌روز دائما در تغییر است و بین فضاهای داخلی و محیط خارج تبادل حرارتی از راههای گوناگون صورت می‌گیرد، فضای داخلی کم و بیش تحت تأثیر تغییرات درجه حرارت محیط قرار می‌گیرد. برای ثابت نگه داشتن درجه حرارت داخل ساختمان در دامنه تغییرات مجاز، در فصول سرد به گرمایش و در اوقات گرم به سرمایش نیاز است.

گرمایش و سرمایش، هر کدام به نوعی مستلزم مصرف انرژی هستند که علاوه بر از دست رفتن ذخایر تجدید نشدنی انرژی، سبب آلودگی محیط زیست می‌شوند. به این ترتیب نقش عایقکاری حرارتی ساختمانها در جهان امروز که در آن توجه فوق‌العاده‌ای به حفظ منابع انرژی و کاهش آلودگی محیط می‌شود، روشن می‌گردد.

تبادل گرما از راه هدایت به وسیله پوسته خارجی ساختمان و از طریق تهویه انجام می‌گیرد. در این نوشته از نحوه عایقکاری حرارتی و جلوگیری از نشت هوا از درزها و ترکهای پوسته ساختمان بحث می‌شود.

مصالح عایق حرارتی (گرمابندی)

کلیات

به همراه پیدایش مصالح ساختمانی جدید که نسبت به مصالح قدیمی مقاوم‌ترند، ایجاد فضای ساختمانی از جمله ضخامت جدار خارجی ساختمانها (یعنی دیوارها، سقفها و کفها یا پوسته ساختمان) به حداقل کاهش پیدا کرده‌اند. به دنبال این کاهش گریز گرما از پوسته خارجی آسان‌تر صورت می‌گیرد.

در کشورهای صنعتی که تولید انرژی و گرما گران تمام می‌شود با تعبیه عایق حرارتی در پوسته ساختمانها مقاومت حرارتی آنها را به میزان قابل توجهی افزایش داده‌اند، ولی در کشور ما به دلیل ارزانی سوخت و وجود منابع سرشار نفت و گاز، مسئله عایقکاری حرارتی ساختمانها از نظر دور مانده است. عایقکاری حرارتی ساختمانها در اقلیمهای گرم نیز سبب کاهش بار تبرید و در نتیجه کاهش مصرف برق در فصول گرم خواهد شد. تقلیل سرمایه‌گذاری در تأسیسات تهویه و شوفاژ، جلوگیری از تعریق بخار در سطح داخلی پوسته ساختمانها در نواحی مرطوب و سالم‌سازی محیط زیست از دیگر نتایج عایقکاری حرارتی است. ذکر این نکته نیز ضروری است که استفاده از انرژی خورشید برای گرمایش در فصول سرد نیز مستلزم عایقکاری حرارتی است و بدون آن عملی نمی‌باشد.

میزان صرفه‌جویی در انرژی و کاهش آلودگی محیط و تقلیل سرمایه‌گذاری در تأسیسات حرارتی و برودتی ساختمان بستگی به شرایط اقلیمی منطقه و کیفیت عایق بودن ساختمان دارد. در برخی کشورهای صنعتی با اعمال روشهای نو در عایقکاری حرارتی ساختمانها به نتایج شگفت‌انگیزی رسیده‌اند. احداث خانه‌هایی با تکنیک سوپر عایق در کشورهای صنعتی سردسیر، علیرغم تنزل درجه حرارت محیط به حدود 30- درجه سلسیوس، سبب شده است که مقدار انرژی و سوخت در آنها به حدود ثلث آنچه در نواحی معتدل کشور ما مصرف می‌شود، برسد.

علاوه بر هدایت حرارت از میان پوسته خارجی ساختمان یعنی سقفها، دیوارهای خارجی، در و پنجره‌ها و بالاخره کف طبقه زیرین ساختمان اعم از اینکه روی زمین چسبیده و یا معلق باشد، راه دیگر تبدیل گرما باز و بسته کردن در و پنجره‌ها و عمل تهویه است.

شناخت ضرایب متداول در عایقکاری حرارتی

ضریب هدایت حرارتی

ضریب هدایت حرارتی یا K مقدار توان حرارتی از دست رفته بر حسب وات از میان یک متر مربع سطح و یک متر ضخامت هر نوع مصالح است. مشروط بر اینکه اختلاف درجه حرارت دو طرف آن یک درجه سلسیوس باشد. واحد ضریب هدایت حرارتی مصالح  می‌باشد.

ضریب K با وزن فضایی، تخلخل و مقدار درصد رطوبت محتوی[1] مصالح متغیر است.

ضریب مقاومت حرارتی[2]

ضریب مقاومت حرارتی عکس ضریب هدایت حرارتی است و برای سادگی در محاسبات بسیاری از اوقات به جای k از () استفاده می‌کنند و واحد آن  می‌باشد.

مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی یا R مقدار مقاومت در مقابل جریان حرارت در یک نوع مصالح یا ترکیبی از آنها با ضخامت معین می‌باشد. مقاومت حرارتی هر نوع مصالح با ضخامت معین از ضرب کردن ضریب  در ضخامت آن به دست می‌آید و واحد آن  است. هر گاه ترتیبی از چند نوع مصالح داشته باشیم که به صورت لایه‌های موازی روی هم قرار گرفته باشند، مثلا دیواری آجری با اندودهای داخلی و خارجی آن، کل مقاومت این دیوار معادل مجموع مقاومتهای آجرچینی و اندودهای طرفین آن خواهد بود.

میزان انتقال حرارت

ضرایب (k) و () و (R)، هر سه بستگی به درجه حرارت سطح مصالح دارد که اندازه‌گیری آن بسیار دشوار است، ولی درجه حرارت محیط داخلی و خارجی را به آسانی می‌توان اندازه گرفت. در فصول سرد، گرمای فضای داخل ساختمان نخست به سطح پوسته خارجی آن وارد شده و سپس از میان جدار عبور کرده و از سطح خارجی پوسته به محیط خارج تغییر مکان می‌دهد.

به طوری که ملاحظه می‌شود علاوه بر قسمتهای مختلف پوسته،‌ سطوح داخلی و خارجی آن نیز در برابر عبور گرما مقاومت می‌کنند. در انتقال حرارت U، این مقاومتهای سطحی نیز به حساب آمده‌اند U، میزان گرمایی است که از میان واحد سطح پوسته ساختمان عبور می‌کند، به شرطی که اختلاف درجه حرارت بین محیط داخل و خارج ساختمان یک درجه سلسیوس باشد و واحد آن  است. برای مجموعه‌ای از مصالح، این مقدار عبور گرما از هوا به هوا برابر عکس مجموع مقاومت حرارتی مصالح و مقاومت سطحی آنها در جهت جریان گرما می‌باشد. مقادیر V[3] برای مقایسه پوسته‌های مختلف می‌تواند مورد استفاده واقع شود.

مقاومت سطوح داخلی دیوارها، کفها و سقفها در برابر عبور گرما تقریبا مقادیری ثابت هستند، ولی مقاومت سطوح خارجی دیوارها و بامها متغیر بوده و بستگی به عواملی مانند نوع مصالح، ارتفاع طبقه و محل وقوع ساختمان در محیطهای مختلف دارد.

وجود حفره[4] در پوسته به عرض حدود 20 تا 50 میلیمتر، مقاومت حرارتی آن را افزایش می‌دهد. استرکاری یک طرف حفره در دیوار توخالی[5] با لایه‌ای منعکس کننده، مانند ورق نازک آلومینیومی، به مقدار قابل توجهی مقاومت حرارتی را بالا می‌برد.

میزان عایقکاری

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

میزان عایقکاری در اقلیم های مختلف متغیر بوده و بستگی به درجه حرارت محیط خارج ساختمان دارد. در مناطق سردسیر حداقل درجه حرارت در زمستان و در مناطق گرمسیر حداکثر درجه حرارت در تابستان، تعیین کننده میزان عایقکاری هستند. مقادیر V که در طراحی و محاسبات حرارتی ساختمانها در کشورهای صنعتی منظور می‌گردد، در کدهای ساختمانی هر کشور برای سقفها، دیوارها و کفها تعیین شده و در برخی از کشورها رعایت این مقادیر برای سازندگان اجباری است.

بدیهی است کاهش مقادیر (V) صرف هزینه‌های بیشتری را ایجاب می‌نماید، ولی ارتباط بین این دو رابطه‌ای خطی نیست، بلکه در برخی موارد می‌توان در قبال تحمل مخارجی جزئی، به عایق برتر یعنی V کمتر و صرفه‌جویی زیادتر در مصرف انرژی دست یافت. در برخی تکنیکهای پیشرفته، صرفه‌جویی در انرژی سالیانه را معادل هزینه اضافی عایقکاری ذکر کرده‌اند.

مصالح عایق حرارتی و سیستمهای عایقکاری

مصالح عایق حرارتی عموما از مواد سبک ساخته می‌شوند. همچنین عایقکاری حرارتی ممکن است به وسیله ایجاد فاصله هوایی (حفره) بین دو جدار یک عضو ساختمانی تأمین گردد.

مصالح عمده‌ای که برای جلوگیری از گریز گرما به مصرف می‌رسند، به نام عایق حرارتی شناخته شده‌اند و به صورتهای: مصالح انباشته به صورت آزاد[6] عایق های پتویی[7] به شکل توپ یا قطعه[8]، تخته‌های عایق[9]، تاوه‌ها یا بلوکهای عایق[10]، عایقهای منعکس‌کننده[11]، عایقهای پاشیدنی[12]، کفهای تزریقی درجا[13] و عایقهای موجدار[14] وجود دارند.

جنس مصالح مصرفی در ساخت این عایقها به شرح زیر می‌باشند:

عایقهای انباشته به صورت آزاد

عایقهای انباشته به صورت آزاد یا فله به دو صورت رشته‌ها (یا تارها) و دانه‌های سبک وجود دارند. رشته‌ها شامل پشم سنگ، پشم شیشه، پشم سرباره یا الیاف گیاهی (که معمولا پشم چوب است) می‌باشند. دانه‌ها از مواد معدنی منبسط شده مانند پرلیت، ورمیکولیت، خاک رس و نظایر آن یا از مواد گیاهی مانند خرده‌های چوب‌پنبه تهیه می‌شوند.

عایقهای پتویی

این عایقها از پشم سنگ، پشم شیشه، پشم سرباره، پشم چوب، پشم حیوانات در ضخامتهای متفاوت تا 100 میلیمتر، تهیه و به عرضهای مختلف بریده می‌شوند و گاهی دارای پوششی از ورقه آلومینیوم یا کاغذ صنعتی (کرافت) هستند.

عایقهای قطعه‌ای

عایقهای قطعه‌ای، در اصل مشابه عایقهای پتویی هستند، ولی طولشان محدودتر، و معمولا در حدود 20/1 متر و کمتر، و ضخامتشان تا 180 میلیمتر می‌رسد. برخی از آنها دارای پوشش کاغذی هستند که در لبه‌ها به صورت باریکه‌ای روی قطعات را پوشانده و نصب آنها در قاب را سهل‌تر می‌سازد.

تخته‌های عایق

تخته‌های عایق از مصالح گوناگونی مانند نی، چوب و پشم سنگ ساخته می‌شوند. تخته‌های عایق برای منظورهای مختلفی از قبیل پوشش بیرونی و درونی دیوارها و عایق سقفها به کار می‌روند.

تاوه‌ها یا بلوک‌های عایق

تاوه‌ها یا بلوکهای عایق به صورت قطعات صلب ساخته می‌شوند و ابعاد آنها تا حدودی از عایقهای قطعه‌ای کمتر است. گاهی اوقات تاوه‌ها ممکن است برای استحکام بیشتر به صورت دو لایه و بیشتر به هم چسبانده شوند.

تاوه‌ها از مصالحی چون چوب‌پنبه، خرده چوب و سیمان، پشم سنگ با یک ماده چسباننده، ورمیکولیت با قیر، کف شیشه، بتن متخلخل (کفی یا گازی)، پلاستیکهای متخلخل، لاستیک سخت متخلخل، بتن سبک دانه از انواع پرلیتی، ورمیکولیتی یا پوکه رسی ساخته می‌شوند.

عایقهای منعکس کننده

عایقهای منعکس‌کننده از سطوح فلزی و نظایر آن ساخته می‌شوند و ممکن است بدون پشت‌بند یا با پشت‌بند به کار روند. میزان گرمابندی عایقهای منعکس‌کننده بر خلاف سایر عایقها، به ویژگیهای سطحی عایق، فاصله هوایی و اختلاف درجه حرارت بستگی دارد. در مورد عایقهای منعکس‌کننده، نکته مهم این است که فاصله هوایی حداقل 20 میلیمتر رعایت شود. این عایقها چنانچه به نحو شایسته‌ای نصب شوند، می‌توانند به عنوان لایه بخاربندی[15] نیز به کار روند.

عایقهای پاشیدنی

عایقهای پاشیدنی از مخلوط کردن تارها با مصالح متخلخل با یک چسب، ساخته شده و بر روی سطوح موردنظر پاشیده می‌شوند و در نقاطی از ساختمان به کار می‌روند که شکل یا وضع قرار گرفتن اجزای ساختمانی، استفاده از آنها را ایجاب می‌نماید. معمول‌ترین مصالح مخلوطهایی از آزبست، پرلیت، ورمیکولیت یا پوکه رسی با دوغاب سیمان و در برخی موارد با دوغاب گچ است. کف پلی‌اورتان نیز ممکن است بعضی اوقات در چند مرحله پاشیده شود.

عایقهای کفی تزریقی درجا

عایقهای کفی تزریقی درجا یا توده‌های متخلخل، از رزینهای مایع مصنوعی ساخته می‌شوند. دو جزء تشکیل‌دهنده عایق، هنگام مخلوط شدن، کفی تولید می‌کنند که پس از مدتی سخت شده و فضای تزریق شده را در بر می‌گیرند.

عایقهای موجدار

عایقهای موجدار از کاغذ ساخته می‌شوند که به صورت موجدار در آورده شده و در چند لایه به هم چسبانده می‌شوند. برخی از انواع این عایق با یک لایه چسب که بر روی آنها پاشیده می‌شود، دارای استحکام بیشتری می‌شوند. در حالی که در انواع دیگر با یک ورقه پوشانده می‌شوند و دارای ویژگی گرمابندی بهتری هستند.

در طراحی جزئیات عایقکاری ترجیحا باید از مصالحی استفاده شود که می‌توان آنها را به راحتی و در داخل کشور تهیه نمود.

مقاومت حرارتی مصالح به کار رفته در پوسته ساختمان، بستگی به ضخامت، میزان رطوبت محتوی و وزن مخصوصشان دارد. در مناطق مرطوب عایقها را باید بخاربندی کرد.

مقاومت حرارتی برخی از مصالح متداول، در جدول 2-18 آمده است. جز آجر و بتن (اعم از سنگین یا سبک)، سایر مصالح منحصرا باید در اقلیمهای خشک به کار رفته و در نتیجه مقاومت حرارتی آنها، باید معادل شرایط خشک به حساب آید.